Ils participent au grand cycle géologique des substances. Grand cycle géologique de la matière

Grand cycle (géologique) et petit (biogéochimique) des substances

Toutes les substances sur notre planète sont en train de circuler. L'énergie solaire provoque deux cycles de substances sur Terre :

Grand (géologique ou abiotique) ;

Petit (biotique, biogénique ou biologique).

Les cycles de matière et les flux d'énergie cosmique créent la stabilité de la biosphère. Le cycle de la matière solide et de l'eau, qui résulte de l'action de facteurs abiotiques (nature inanimée), est appelé le grand cycle géologique. Au cours d'un grand cycle géologique (qui dure des millions d'années), les roches sont détruites, altérées, les substances se dissolvent et pénètrent dans l'océan mondial ; des changements géotectoniques, un affaissement des continents et un soulèvement des fonds marins se produisent. La durée du cycle de l'eau dans les glaciers est de 8 000 ans, dans les rivières - 11 jours. C’est le grand cycle qui approvisionne les organismes vivants en nutriments et détermine en grande partie les conditions de leur existence.

Le grand cycle géologique de la biosphère est caractérisé par deux points importants : l'oxygène, le carbone, les

• a) s'effectue tout au long du développement géologique de la Terre ;
• b) est un processus planétaire moderne qui joue un rôle majeur dans la poursuite du développement biosphère.

Au stade actuel du développement humain, en conséquence grand tourbillon Les polluants tels que les oxydes de soufre et d’azote, la poussière et les impuretés radioactives sont également transportés sur de longues distances. Les zones les plus contaminées étaient latitudes tempérées Hémisphère nord.

Un petit cycle biogénique ou biologique de substances se déroule en phases solides, liquides et gazeuses avec la participation d'organismes vivants. Le cycle biologique, contrairement au cycle géologique, nécessite moins d’énergie. Le petit cycle fait partie d'un grand, se produit au niveau des biogéocénoses (au sein des écosystèmes) et consiste dans le fait que nutriments le sol, l’eau et le carbone s’accumulent dans la matière végétale et sont dépensés pour la construction du corps. Les produits de décomposition de la matière organique se décomposent en composants minéraux. Le petit cycle n'est pas fermé, ce qui est associé au flux de substances et d'énergie dans l'écosystème depuis l'extérieur et à la libération de certaines d'entre elles dans le cycle de la biosphère.

De nombreux éléments chimiques et leurs composés sont impliqués dans les grands et petits cycles, mais les plus importants d'entre eux sont ceux qui déterminent le stade actuel de développement de la biosphère, associé à l'activité économique humaine. Il s'agit notamment des cycles du carbone, du soufre et de l'azote (leurs oxydes sont les principaux polluants de l'atmosphère), ainsi que du phosphore (les phosphates sont le principal polluant des eaux continentales). Presque tous les polluants agissent comme des substances nocives et sont classés comme xénobiotiques. Actuellement, les cycles des xénobiotiques - éléments toxiques - du mercure (un contaminant alimentaire) et du plomb (un composant de l'essence) revêtent une grande importance. De plus, de nombreuses substances d'origine anthropique (DDT, pesticides, radionucléides, etc.) qui nuisent au biote et à la santé humaine proviennent du grand cycle vers le petit.

L'essence du cycle biologique réside dans l'apparition de deux processus opposés mais interconnectés : la création de matière organique et sa destruction par la matière vivante.

Contrairement au grand gyre, le petit gyre a une durée différente : on distingue les petits gyres saisonniers, annuels, pérennes et séculaires. Gyre substances chimiques de l'environnement inorganique en passant par la végétation et les animaux jusqu'à l'environnement inorganique en utilisant l'énergie solaire par le biais de réactions chimiques, c'est ce qu'on appelle le cycle biogéochimique.

Le présent et l'avenir de notre planète dépendent de la participation des organismes vivants au fonctionnement de la biosphère. Dans le cycle des substances, la matière vivante, ou biomasse, remplit des fonctions biogéochimiques : gaz, concentration, redox et biochimique.

Le cycle biologique se déroule avec la participation d'organismes vivants et consiste en la reproduction de la matière organique de l'inorganique et la décomposition de cette matière organique en inorganique à travers la chaîne trophique alimentaire. L'intensité des processus de production et de destruction dans le cycle biologique dépend de la quantité de chaleur et d'humidité. Par exemple, le faible taux de décomposition de la matière organique dans les régions polaires dépend du déficit thermique.

Un indicateur important de l'intensité du cycle biologique est le taux de circulation des éléments chimiques. L'intensité est caractérisée par un indice égal au rapport entre la masse de litière forestière et la litière. Plus l'indice est élevé, plus l'intensité de la circulation est faible.

Indexer dans forêts de conifères- 10 - 17 ; à feuilles larges 3 - 4 ; savane pas plus de 0,2 ; mouillé forêts tropicales pas plus de 0,1, c'est-à-dire Ici, le cycle biologique est le plus intense.

Le flux d'éléments (azote, phosphore, soufre) à travers les micro-organismes est d'un ordre de grandeur supérieur à celui à travers les plantes et les animaux. Le cycle biologique n’est pas complètement réversible ; il est étroitement lié au cycle biogéochimique. Les éléments chimiques circulent dans la biosphère selon différentes voies du cycle biologique :

• - sont absorbés par la matière vivante et chargés d'énergie ;
• - quitter la matière vivante en libérant de l'énergie dans le milieu extérieur.

Ces cycles sont de deux types : le cycle des substances gazeuses ; cycle sédimentaire (réserve en la croûte terrestre).

Les gyres eux-mêmes se composent de deux parties :

• - fonds de réserve (c'est la partie de la substance non associée aux organismes vivants) ;
• - fonds (d'échange) mobile (une plus petite partie de la substance associée à l'échange direct entre les organismes et leur environnement immédiat).

Les gyres sont divisés en :

• - des cycles de type gazeux avec un fonds de réserve dans la croûte terrestre (cycles du carbone, de l'oxygène, de l'azote) - capables d'une autorégulation rapide ;
• - les cycles sédimentaires avec un fonds de réserve dans la croûte terrestre (cycles du phosphore, du calcium, du fer, etc.) sont plus inertes, l'essentiel de la substance est sous une forme « inaccessible » aux organismes vivants.

Les gyres peuvent également être divisés en :

• - fermé (le cycle des substances gazeuses, par exemple l'oxygène, le carbone et l'azote - une réserve dans l'atmosphère et l'hydrosphère de l'océan, donc le déficit est rapidement compensé) ;
• - illimité (création d'un fonds de réserve dans la croûte terrestre, par exemple pour le phosphore - donc les pertes sont mal compensées, c'est-à-dire qu'un déficit est créé).

La base énergétique de l'existence des cycles biologiques sur Terre et leur lien initial est le processus de photosynthèse. Chaque nouveau cycle n’est pas une répétition exacte du précédent. Par exemple, au cours de l'évolution de la biosphère, certains processus ont été irréversibles, entraînant la formation et l'accumulation de sédiments biogéniques, une augmentation de la quantité d'oxygène dans l'atmosphère, des modifications des rapports quantitatifs des isotopes d'un certain nombre d'éléments. , etc.

La circulation des substances est généralement appelée cycles biogéochimiques. Les principaux cycles biogéochimiques (biosphère) des substances : cycle de l'eau, cycle de l'oxygène, cycle de l'azote (participation des bactéries fixatrices d'azote), cycle du carbone (participation des bactéries aérobies ; chaque année, environ 130 tonnes de carbone sont rejetées dans le cycle géologique), phosphore cycle (participation des bactéries du sol ; chaque année, 14 millions de tonnes de phosphore sont éliminées des océans), le cycle du soufre, le cycle des cations métalliques.

Le cycle de l'eau

Le cycle de l’eau est un cycle fermé qui peut se produire, comme mentionné ci-dessus, même en l’absence de vie, mais les organismes vivants le modifient.

Le cycle repose sur le principe : l'évapotranspiration est compensée par les précipitations. Pour la planète dans son ensemble, l’évaporation et les précipitations s’équilibrent. Dans le même temps, plus d’eau s’évapore de l’océan qu’elle n’en revient avec les précipitations. Sur terre, au contraire, les précipitations tombent davantage, mais l'excédent s'écoule dans les lacs et les rivières, et de là à nouveau dans l'océan. L'équilibre hydrique entre les continents et les océans est maintenu par le débit des rivières.

Ainsi, le cycle hydrologique global comporte quatre flux principaux : les précipitations, l’évaporation, le transfert d’humidité et la transpiration.

L'eau, la substance la plus répandue dans la biosphère, sert non seulement d'habitat à de nombreux organismes, mais elle est également partie intégrante les corps de tous les êtres vivants. Malgré l'énorme importance de l'eau dans tous les processus vitaux se produisant dans la biosphère, la matière vivante ne joue pas un rôle décisif dans le grand cycle de l'eau sur la planète. La force motrice de ce cycle est l'énergie du soleil, qui est dépensée pour l'évaporation de l'eau de la surface des bassins hydrographiques ou des terres. L'humidité évaporée se condense dans l'atmosphère sous forme de nuages ​​emportés par le vent ; Lorsque les nuages ​​se refroidissent, des précipitations se produisent.

La quantité totale d'eau libre non liée (la proportion d'océans et de mers où le liquide eau salée), représente 86 à 98 %. La quantité d'eau restante (eau douce) est stockée dans les calottes polaires et les glaciers et forme des bassins hydrographiques et ses eaux souterraines. Les précipitations tombant à la surface des terres couvertes de végétation sont partiellement retenues par la surface des feuilles et s'évaporent ensuite dans l'atmosphère. L'humidité qui atteint le sol peut rejoindre le ruissellement de surface ou être absorbée par le sol. Une fois complètement absorbés par le sol (cela dépend du type de sol, des caractéristiques des roches et du couvert végétal), les excès de sédiments peuvent s'infiltrer plus profondément dans les eaux souterraines. Si la quantité de précipitations dépasse la capacité de rétention d'humidité des couches supérieures du sol, un ruissellement de surface commence, dont la vitesse dépend de l'état du sol, de la raideur de la pente, de la durée des précipitations et de la nature de la végétation ( la végétation peut protéger le sol de l'érosion hydrique). L'eau retenue dans le sol peut s'évaporer de sa surface ou, après avoir été absorbée par les racines des plantes, transpirer (s'évaporer) dans l'atmosphère à travers les feuilles.

Le flux de transpiration de l'eau (sol - racines des plantes - feuilles - atmosphère) est le principal cheminement de l'eau à travers la matière vivante dans son grand cycle sur notre planète.

Cycle du carbone

Toute la diversité des substances organiques, des processus biochimiques et des formes de vie sur Terre dépend des propriétés et des caractéristiques du carbone. La teneur en carbone de la plupart des organismes vivants représente environ 45 % de leur biomasse sèche. Toute la matière vivante de la planète participe au cycle de la matière organique et de tout le carbone de la Terre, qui surgit, change, meurt, se décompose continuellement et, dans cette séquence, le carbone est transféré d'une matière organique à la construction d'une autre le long de la chaîne alimentaire. . De plus, tous les êtres vivants respirent, libérant du dioxyde de carbone.

Cycle du carbone sur terre. Le cycle du carbone est maintenu par la photosynthèse des plantes terrestres et du phytoplancton océanique. En absorbant le dioxyde de carbone (fixant le carbone inorganique), les plantes utilisent l'énergie du soleil pour le convertir en composés organiques- créer votre propre biomasse. La nuit, les plantes, comme tous les êtres vivants, respirent et libèrent du dioxyde de carbone.

Les plantes mortes, cadavres et excréments d'animaux servent de nourriture à de nombreux organismes hétérotrophes (animaux, plantes saprophytes, champignons, micro-organismes). Tous ces organismes vivent principalement dans le sol et, au cours de leur vie, créent leur propre biomasse, qui comprend du carbone organique. Ils libèrent également du dioxyde de carbone, créant ainsi une « respiration du sol ». Souvent, la matière organique morte ne se décompose pas complètement et l'humus (humus) s'accumule dans les sols, ce qui joue un rôle important dans la fertilité des sols. Le degré de minéralisation et d'humification des substances organiques dépend de nombreux facteurs : humidité, température, propriétés physiques du sol, composition des résidus organiques, etc. Sous l'influence de bactéries et de champignons, l'humus peut se décomposer en dioxyde de carbone et en composés minéraux.

Cycle du carbone dans l'océan mondial. Le cycle du carbone dans l’océan est différent du cycle terrestre. L’océan est le maillon faible des organismes des niveaux trophiques supérieurs, et donc l’ensemble des maillons du cycle du carbone. Le temps nécessaire au carbone pour traverser le lien trophique de l'océan est court et la quantité de dioxyde de carbone libérée est insignifiante.

L'océan agit comme le principal régulateur du dioxyde de carbone dans l'atmosphère. Il existe un échange intense de dioxyde de carbone entre l’océan et l’atmosphère. Les eaux océaniques ont une capacité de dissolution et un pouvoir tampon élevés. Un système constitué d'acide carbonique et de ses sels (carbonates) est une sorte de dépôt de dioxyde de carbone, relié à l'atmosphère par diffusion de CO ? de l'eau à l'atmosphère et vice-versa.

Dans l'océan pendant la journée, la photosynthèse du phytoplancton se produit de manière intensive, tandis que le dioxyde de carbone libre est intensément consommé, les carbonates servant de source supplémentaire à sa formation. La nuit, lorsque la teneur en acide libre augmente en raison de la respiration des animaux et des plantes, une partie importante de celui-ci entre à nouveau dans la composition des carbonates. Les processus qui s'opèrent vont dans les directions suivantes : de la matière vivante ? DONC?? N?SO?? Sa (ONS ?) ?? CaCO?.

Dans la nature, une certaine quantité de matière organique ne subit pas de minéralisation en raison d'un manque d'oxygène, d'une forte acidité du milieu, de conditions d'enfouissement particulières, etc. Une partie du carbone sort du cycle biologique sous forme de dépôts inorganiques (calcaire, craie, coraux) et organiques (schiste, pétrole, charbon).

Les activités humaines modifient considérablement le cycle du carbone sur notre planète. Les paysages, les types de végétation, les biocénoses et leurs chaînes alimentaires changent, de vastes superficies sont drainées ou irriguées, la fertilité des sols s'améliore (ou se détériore), des engrais et des pesticides sont introduits, etc. Le plus dangereux est le rejet de dioxyde de carbone dans l’atmosphère résultant de la combustion de carburant. Dans le même temps, le taux de circulation du carbone augmente et son cycle se raccourcit.

Cycle de l'oxygène

L'oxygène est une condition préalable à l'existence de la vie sur Terre. Il est inclus dans presque tous les composés biologiques, participe aux réactions biochimiques d'oxydation des substances organiques, fournissant de l'énergie pour tous les processus vitaux des organismes de la biosphère. L'oxygène assure la respiration des animaux, des plantes et des micro-organismes dans l'atmosphère, le sol, l'eau et participe aux réactions chimiques d'oxydation se produisant dans les roches, les sols, les limons et les aquifères.

Les principales branches du cycle de l'oxygène :

• - la formation d'oxygène libre lors de la photosynthèse et son absorption lors de la respiration des organismes vivants (plantes, animaux, micro-organismes de l'atmosphère, du sol, de l'eau) ;
• - formation d'un écran d'ozone ;
• - création de zonage redox ;
• - oxydation du monoxyde de carbone lors des éruptions volcaniques, accumulation de roches sédimentaires sulfatées, consommation d'oxygène dans l'activité humaine, etc. ; L'oxygène moléculaire de la photosynthèse est impliqué partout.

Cycle de l'azote

L'azote fait partie des substances organiques biologiquement importantes de tous les organismes vivants : protéines, acides nucléiques, lipoprotéines, enzymes, chlorophylle, etc. Malgré la teneur en azote de l'air (79 %), celui-ci est déficient pour les organismes vivants.

L'azote dans la biosphère est sous forme gazeuse (N2) inaccessible aux organismes - il est chimiquement peu actif, il ne peut donc pas être directement utilisé par les plantes supérieures (et la plupart des plantes inférieures) et le monde animal. Les plantes absorbent l’azote du sol sous forme d’ions ammonium ou d’ions nitrate, c’est-à-dire ce qu'on appelle l'azote fixe.

Il existe des fixations d'azote atmosphérique, industrielle et biologique.

La fixation atmosphérique se produit lorsque l'atmosphère est ionisée par les rayons cosmiques et lors de fortes décharges électriques lors d'orages, tandis que des oxydes d'azote et d'ammoniac se forment à partir de l'azote moléculaire présent dans l'air, qui, grâce aux précipitations atmosphériques, sont convertis en azote d'ammonium, de nitrite et de nitrate. et pénétrer dans le sol et les bassins d'eau.

La fixation industrielle résulte de l’activité économique humaine. L'atmosphère est polluée par des composés azotés par les usines produisant des composés azotés. Les émissions chaudes des centrales thermiques, des usines, des engins spatiaux et des avions supersoniques oxydent l’azote de l’air. Les oxydes d'azote, interagissant avec la vapeur d'eau de l'air et des précipitations, retournent au sol et pénètrent dans le sol sous forme ionique.

La fixation biologique joue un rôle majeur dans le cycle de l'azote. Elle est réalisée par les bactéries du sol :

• - les bactéries fixatrices d'azote (et les algues bleu-vert) ;
• - les micro-organismes vivant en symbiose avec les plantes supérieures (bactéries nodulaires) ;
• - ammonifiant ;
• - nitrifiant ;
• - dénitrifiant.

Les bactéries aérobies libres fixatrices d'azote (existant en présence d'oxygène) (Azotobacter) dans le sol sont capables de fixer l'azote moléculaire atmosphérique en utilisant l'énergie obtenue par l'oxydation de la matière organique du sol pendant la respiration, en le liant finalement à l'hydrogène et en introduisant sous la forme d'un groupe aminé (- NH2) dans la composition en acides aminés de son corps. L'azote moléculaire est également capable de fixer certaines bactéries anaérobies (vivant en l'absence d'oxygène) présentes dans le sol (Clostridium). En mourant, les deux micro-organismes enrichissent le sol en azote organique.

Les algues bleu-vert, particulièrement importantes pour les sols des rizières, sont également capables de fixer biologiquement l'azote moléculaire.

La fixation biologique la plus efficace de l'azote atmosphérique se produit chez les bactéries vivant en symbiose dans les nodules des légumineuses (bactéries nodulaires).

Ces bactéries (Rizobium) utilisent l'énergie de la plante hôte pour fixer l'azote, tout en fournissant aux organes terrestres de l'hôte les composés azotés dont ils disposent.

En assimilant les composés azotés du sol sous forme de nitrate et d'ammonium, les plantes construisent les composés azotés nécessaires à leur corps (l'azote nitrique est pré-réduit dans les cellules végétales). Les plantes productrices fournissent des substances azotées à l’ensemble du monde animal et à l’humanité. Les plantes mortes sont utilisées, selon la chaîne trophique, comme bioréducteurs.

Les micro-organismes ammonifiants décomposent les substances organiques contenant de l'azote (acides aminés, urée) pour former de l'ammoniac. Une partie de l'azote organique du sol n'est pas minéralisée, mais est transformée en substances humiques, en bitume et en composants de roches sédimentaires.

L'ammoniac (sous forme d'ion ammonium) peut pénétrer dans le système racinaire des plantes ou être utilisé dans les processus de nitrification.

Les micro-organismes nitrifiants sont des chimiosynthétiques ; ils utilisent l'énergie de l'oxydation de l'ammoniac en nitrates et des nitrites en nitrates pour assurer tous les processus vitaux. En utilisant cette énergie, les nitrifiants réduisent le dioxyde de carbone et accumulent de la matière organique dans leur corps. L'oxydation de l'ammoniac pendant la nitrification se déroule par les réactions suivantes :

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

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

Les nitrates formés lors des processus de nitrification entrent à nouveau dans le cycle biologique, sont absorbés du sol par les racines des plantes ou après être entrés avec le ruissellement dans les bassins hydrographiques - phytoplancton et phytobenthos.

Outre les organismes qui fixent l'azote atmosphérique et le nitrifient, il existe dans la biosphère des micro-organismes capables de réduire les nitrates ou les nitrites en azote moléculaire. De tels micro-organismes, appelés dénitrifiants, lorsqu'il y a un manque d'oxygène libre dans les eaux ou le sol, utilisent l'oxygène nitrate pour oxyder les substances organiques :

C?H??O?(glucose) + 24KNO? ? 24KHCO? +6CO ? +12N ? + 18H?O + énergie

L'énergie libérée dans ce cas sert de base à toute l'activité vitale des micro-organismes dénitrifiants.

Ainsi, les substances vivantes jouent un rôle exceptionnel dans toutes les parties du cycle.

Actuellement, la fixation industrielle de l'azote atmosphérique par l'homme joue un rôle de plus en plus important dans le bilan azoté des sols et, par conséquent, dans l'ensemble du cycle de l'azote dans la biosphère.

Cycle du phosphore

Le cycle du phosphore est plus simple. Alors que le réservoir d’azote est l’air, le réservoir de phosphore est constitué par les roches d’où il est libéré par l’érosion.

Le carbone, l'oxygène, l'hydrogène et l'azote migrent plus facilement et plus rapidement dans l'atmosphère, puisqu'ils se présentent sous forme gazeuse, formant des composés gazeux dans les cycles biologiques. Pour tous les autres éléments, à l'exception du soufre nécessaire à l'existence de la matière vivante, la formation de composés gazeux dans les cycles biologiques est inhabituelle. Ces éléments migrent principalement sous forme d’ions et de molécules dissoutes dans l’eau.

Le phosphore, assimilé par les plantes sous forme d'ions acide orthophosphorique, participe largement à la vie de tous les organismes vivants. Il fait partie de l'ADP, de l'ATP, de l'ADN, de l'ARN et d'autres composés.

Le cycle du phosphore dans la biosphère n'est pas fermé. Dans les biogéocénoses terrestres, le phosphore, après avoir été absorbé par les plantes du sol à travers la chaîne alimentaire, pénètre à nouveau dans le sol sous forme de phosphates. La majeure partie du phosphore est réabsorbée par le système racinaire des plantes. Le phosphore peut être partiellement éliminé par le ruissellement des eaux de pluie du sol vers les bassins hydrographiques.

Dans les biogéocénoses naturelles, le phosphore manque souvent et, dans un environnement alcalin et oxydé, on le trouve généralement sous forme de composés insolubles.

Les roches lithosphériques contiennent de grandes quantités de phosphates. Certains d'entre eux passent progressivement dans le sol, d'autres sont développés par l'homme pour la production d'engrais phosphatés, et la plupart sont lessivés et entraînés dans l'hydrosphère. Là, ils sont utilisés par le phytoplancton et les organismes associés situés à différents niveaux trophiques de chaînes alimentaires complexes.

Dans l'océan mondial, la perte de phosphates du cycle biologique se produit en raison du dépôt de restes végétaux et animaux sur grandes profondeurs. Étant donné que le phosphore se déplace principalement de la lithosphère vers l'hydrosphère avec l'eau, il migre biologiquement vers la lithosphère (en mangeant du poisson oiseaux de mer, utilisation d'algues benthiques et de farine de poisson comme engrais, etc.).

De tous les éléments de la nutrition minérale des plantes, le phosphore peut être considéré comme déficient.

Cycle du soufre

Pour les organismes vivants, le soufre est d'une grande importance, car il fait partie des acides aminés soufrés (cystine, cystéine, méthionine, etc.). Faisant partie des protéines, les acides aminés soufrés maintiennent la structure tridimensionnelle nécessaire des molécules protéiques.

Le soufre n'est absorbé par les plantes du sol que sous forme oxydée, sous forme d'ion. Dans les plantes, le soufre est réduit et est inclus dans les acides aminés sous forme de groupes sulfhydryle (-SH) et disulfure (-S-S-).

Les animaux n'assimilent que le soufre réduit présent dans la matière organique. Après la mort des organismes végétaux et animaux, le soufre retourne dans le sol où, sous l'action de nombreuses formes de micro-organismes, il subit des transformations.

Dans des conditions aérobies, certains micro-organismes oxydent le soufre organique en sulfates. Les ions sulfate, absorbés par les racines des plantes, sont à nouveau inclus dans le cycle biologique. Certains sulfates peuvent être inclus dans la migration de l'eau et éliminés du sol. Dans les sols riches en substances humiques, une quantité importante de soufre se trouve dans les composés organiques, ce qui empêche son lessivage.

Dans des conditions anaérobies, la décomposition des composés organiques soufrés produit du sulfure d’hydrogène. Si les sulfates et les substances organiques se trouvent dans un environnement sans oxygène, l'activité des bactéries sulfato-réductrices est activée. Ils utilisent l'oxygène des sulfates pour oxyder les substances organiques et obtenir ainsi l'énergie nécessaire à leur existence.

Les bactéries sulfato-réductrices sont courantes dans les eaux souterraines, la boue et l’eau de mer stagnante. Le sulfure d'hydrogène est un poison pour la plupart des organismes vivants, d'où son accumulation dans les sols remplis d'eau, les lacs, les estuaires, etc. réduit considérablement, voire arrête complètement les processus vitaux. Ce phénomène est observé dans la mer Noire à une profondeur inférieure à 200 m de sa surface.

Ainsi, pour créer un environnement favorable, il est nécessaire d'oxyder le sulfure d'hydrogène en ions sulfate, ce qui détruira les effets nocifs du sulfure d'hydrogène, le soufre se transformera en une forme accessible aux plantes - sous forme de sels de sulfate. Ce rôle est joué dans la nature par un groupe spécial de bactéries soufrées (incolores, vertes, violettes) et de bactéries thioniques.

Les bactéries soufrées incolores sont des chimiosynthétiques : elles utilisent l'énergie obtenue par l'oxydation du sulfure d'hydrogène par l'oxygène en soufre élémentaire et son oxydation ultérieure en sulfates.

Les bactéries soufrées colorées sont des organismes photosynthétiques qui utilisent le sulfure d’hydrogène comme donneur d’hydrogène pour réduire le dioxyde de carbone.

Le soufre élémentaire résultant dans les bactéries soufrées vertes est libéré des cellules et dans les bactéries violettes, il s'accumule à l'intérieur des cellules.

La réaction globale de ce processus est la photoréduction :

CO?+ 2H?S léger? (CH?O)+ H?O +2S.

Les bactéries thioniques oxydent le soufre élémentaire et ses divers composés réduits en sulfates en utilisant de l'oxygène libre, le renvoyant ainsi au flux principal du cycle biologique.

Dans les processus du cycle biologique, où se produit la transformation du soufre, les organismes vivants, en particulier les micro-organismes, jouent un rôle important.

Le principal réservoir de soufre sur notre planète est l'océan mondial, car les ions sulfate y coulent continuellement depuis le sol. Une partie du soufre de l'océan retourne sur terre par l'atmosphère selon le schéma sulfure d'hydrogène - son oxydation en dioxyde de soufre - dissolution de ce dernier dans l'eau de pluie avec formation d'acide sulfurique et de sulfates - retour du soufre de précipitation V couverture du sol Terre.

Cycle des cations inorganiques

Outre les éléments de base qui composent les organismes vivants (carbone, oxygène, hydrogène, phosphore et soufre), de nombreux autres macro et microéléments - les cations inorganiques - sont d'une importance vitale. Dans les bassins d’eau, les plantes obtiennent les cations métalliques dont elles ont besoin directement environnement. Sur terre, la principale source de cations inorganiques est le sol, qui les a reçus lors de la destruction des roches mères. Chez les plantes, les cations absorbés par le système racinaire se déplacent vers les feuilles et d’autres organes ; certains d'entre eux (magnésium, fer, cuivre et bien d'autres) font partie de molécules biologiquement importantes (chlorophylle, enzymes) ; d'autres, restant sous forme libre, participent au maintien des propriétés colloïdales nécessaires du protoplasme cellulaire et remplissent diverses autres fonctions.

Lorsque les organismes vivants meurent, les cations inorganiques retournent dans le sol lors de la minéralisation des substances organiques. La perte de ces composants du sol résulte du lessivage et de l'élimination des cations métalliques avec l'eau de pluie, du rejet et de l'élimination de la matière organique par l'homme lors de la culture de plantes agricoles, de l'abattage des forêts, de la tonte de l'herbe pour l'alimentation du bétail, etc.

Utilisation rationnelle des engrais minéraux, remise en état des sols, application engrais organiques, une technologie agricole appropriée aidera à rétablir et à maintenir l'équilibre des cations inorganiques dans les biocénoses de la biosphère.

Cycle anthropique : cycle des xénobiotiques (mercure, plomb, chrome)

L’humanité fait partie de la nature et ne peut exister qu’en interaction constante avec elle.

Il existe des similitudes et des contradictions entre le cycle naturel et anthropique des substances et de l'énergie qui se produisent dans la biosphère.

Le cycle naturel (biogéochimique) de la vie présente les caractéristiques suivantes :

• - l'utilisation de l'énergie solaire comme source de vie et toutes ses manifestations basées sur les lois thermodynamiques ;
• - elle est réalisée sans gaspillage, c'est-à-dire tous les produits de son activité vitale sont minéralisés et à nouveau inclus dans le prochain cycle de circulation des substances. En même temps, dépensé, dévalorisé l'énérgie thermique. Au cours du cycle biogéochimique des substances, des déchets se forment, c'est-à-dire réserves sous forme de charbon, pétrole, gaz et autres ressources minérales. Contrairement au cycle naturel sans déchets, le cycle anthropique s’accompagne chaque année d’une augmentation des déchets.

Il n'y a rien d'inutile ou de nocif dans la nature ; même les éruptions volcaniques ont des avantages, car les éléments nécessaires (par exemple l'azote) sont libérés dans l'air avec les gaz volcaniques.

Il existe une loi de fermeture globale du cycle biogéochimique dans la biosphère, qui opère à toutes les étapes de son développement, ainsi qu'une règle de fermeture croissante du cycle biogéochimique au cours de la succession.

Les humains jouent un rôle énorme dans le cycle biogéochimique, mais en sens inverse. L'homme perturbe les cycles de substances existants, ce qui manifeste son pouvoir géologique - destructeur par rapport à la biosphère. Par conséquent activités anthropiques le degré de fermeture des cycles biogéochimiques diminue.

Le cycle anthropique ne se limite pas à l’énergie solaire captée par les plantes vertes de la planète. L’humanité utilise l’énergie des centrales thermiques, hydroélectriques et nucléaires.

On peut affirmer qu’à l’heure actuelle, l’activité anthropique représente une énorme force destructrice pour la biosphère.

La biosphère a une propriété particulière : une résistance significative aux polluants. Cette durabilité repose sur la capacité naturelle de diverses composantes du milieu naturel à s’auto-purifier et à s’auto-guérir. Mais pas illimité. Une éventuelle crise mondiale a nécessité la construction d'un modèle mathématique de la biosphère dans son ensemble (le système Gaia) afin d'obtenir des informations sur l'état possible de la biosphère.

Un xénobiotique est une substance étrangère aux organismes vivants qui apparaît à la suite d'activités anthropiques (pesticides, produits chimiques ménagers et autres polluants) pouvant perturber les processus biotiques, incl. maladie ou mort du corps. Ces polluants ne subissent pas de biodégradation, mais s'accumulent dans les chaînes trophiques.

Le Mercure est un élément très rare. Il est dispersé dans toute la croûte terrestre et seuls quelques minéraux, comme le cinabre, le contiennent sous forme concentrée. Le Mercure participe au cycle de la matière dans la biosphère, migrant à l'état gazeux et dans des solutions aqueuses.

Il pénètre dans l'atmosphère depuis l'hydrosphère lors de l'évaporation, lorsqu'il est libéré du cinabre, avec des gaz volcaniques et des gaz provenant de Sources thermales. Une partie du mercure gazeux présent dans l’atmosphère se transforme en phase solide et est éliminée de l’air. Le mercure rejeté est absorbé par les sols, notamment les sols argileux, l'eau et les roches. Les minéraux combustibles - pétrole et charbon - contiennent jusqu'à 1 mg/kg de mercure. La masse d'eau des océans contient environ 1,6 milliard de tonnes, de sédiments de fond - 500 milliards de tonnes et de plancton - 2 millions de tonnes. Les eaux fluviales transportent chaque année environ 40 000 tonnes depuis la terre, soit 10 fois moins que ce qui pénètre dans l'atmosphère lors de l'évaporation (400 000 tonnes). Environ 100 000 tonnes tombent chaque année sur la surface du sol.

Le mercure est passé d'un composant naturel de l'environnement naturel à l'une des émissions d'origine humaine les plus dangereuses dans la biosphère pour la santé humaine. Il est largement utilisé dans les industries métallurgique, chimique, électrique, électronique, des pâtes et papiers et pharmaceutique et est utilisé dans la production d'explosifs, de vernis et de peintures, ainsi qu'en médecine. Les effluents industriels et les émissions atmosphériques, ainsi que les mines de mercure, les usines de production de mercure et les centrales thermiques (CHP et chaufferies) utilisant du charbon, du pétrole et des produits pétroliers, sont les principales sources de pollution de la biosphère par ce composant toxique. De plus, le mercure fait partie des pesticides organomercuriels utilisés en agriculture pour traiter les semences et protéger les cultures contre les ravageurs. Il pénètre dans le corps humain avec de la nourriture (œufs, céréales marinées, viande d'animaux et d'oiseaux, lait, poisson).

Mercure dans l'eau et les sédiments fluviaux

Il a été établi qu'environ 80 % du mercure pénétrant dans les plans d'eau naturels est sous forme dissoute, ce qui contribue finalement à sa distribution sur de longues distances au gré des débits d'eau. L'élément pur est non toxique.

Le mercure se trouve souvent dans les eaux limoneuses des fonds marins à des concentrations relativement inoffensives. Les composés inorganiques du mercure sont transformés en composés organiques toxiques du mercure, tels que le méthylmercure CH?Hg et l'éthylmercure C?H?Hg, par les bactéries vivant dans les détritus et les sédiments, dans la boue du fond des lacs et des rivières, dans le mucus recouvrant le corps des poissons. , et dans le mucus de l'estomac du poisson. Ces composés sont facilement solubles, mobiles et très toxiques. La base chimique de l'action agressive du mercure est son affinité avec le soufre, en particulier avec le groupe sulfure d'hydrogène des protéines. Ces molécules se lient aux chromosomes et aux cellules cérébrales. Les poissons et les crustacés peuvent les accumuler à des concentrations dangereuses pour les humains qui les consomment, provoquant la maladie de Minamata.

Le mercure métallique et ses composés inorganiques agissent principalement sur le foie, les reins et le tractus intestinal, mais dans des conditions normales, ils sont éliminés du corps relativement rapidement et une quantité dangereuse pour le corps humain n'a pas le temps de s'accumuler. Le méthylmercure et d'autres composés alkylmercuriels sont beaucoup plus dangereux car ils s'accumulent - la toxine pénètre dans l'organisme plus rapidement qu'elle n'est éliminée du corps, affectant ainsi le système nerveux central.

Les sédiments de fond sont une caractéristique importante écosystèmes aquatiques. En accumulant des métaux lourds, des radionucléides et des substances organiques hautement toxiques, les sédiments des fonds marins, d'une part, contribuent à l'auto-épuration des milieux aquatiques, et d'autre part, représentent une source constante de pollution secondaire des masses d'eau. Les sédiments de fond constituent un objet d'analyse prometteur, reflétant un schéma de pollution à long terme (en particulier dans les plans d'eau à faible débit). De plus, l’accumulation de mercure inorganique dans les sédiments de fond est observée notamment aux embouchures des rivières. Une situation tendue peut survenir lorsque la capacité d'adsorption des sédiments (limon, sédiments) est épuisée. Lorsque la capacité d'adsorption est atteinte, les métaux lourds, incl. le mercure commencera à pénétrer dans l’eau.

On sait que dans des conditions anaérobies marines, dans les sédiments d'algues mortes, le mercure fixe l'hydrogène et se transforme en composés volatils.

Avec la participation de micro-organismes, le mercure métallique peut être méthylé en deux étapes :

CH?Hg+ ? (CH?)?Hg

Le méthylmercure apparaît dans l'environnement presque exclusivement par la méthylation du mercure inorganique.

La demi-vie biologique du mercure est longue : pour la plupart des tissus du corps humain, elle est de 70 à 80 jours.

On sait que les gros poissons, comme l'espadon et le thon, sont contaminés par le mercure au début de la chaîne alimentaire. Il n'est pas sans intérêt de constater que, dans une mesure encore plus grande que dans les poissons, le mercure s'accumule (s'accumule) dans les huîtres.

Le mercure pénètre dans le corps humain par la respiration, la nourriture et par la peau selon le schéma suivant :

Premièrement, le mercure est transformé. Cet élément se présente naturellement sous plusieurs formes.

Le mercure métallique, utilisé dans les thermomètres, et ses sels inorganiques (par exemple le chlorure) sont éliminés de l'organisme relativement rapidement.

Les composés alkylmercuriels, en particulier le méthyle et l'éthylmercure, sont beaucoup plus toxiques. Ces composés sont éliminés du corps très lentement - seulement environ 1 % de la quantité totale par jour. Bien que la majeure partie du mercure qui pénètre dans les eaux naturelles soit sous forme de composés inorganiques, chez les poissons, il apparaît toujours sous la forme de méthylmercure, très toxique. Les bactéries présentes dans le limon du fond des lacs et des rivières, dans le mucus recouvrant le corps des poissons, ainsi que dans le mucus de l'estomac des poissons, sont capables de transformer les composés inorganiques du mercure en méthylmercure.

Deuxièmement, l’accumulation sélective, ou accumulation biologique (concentration), augmente les niveaux de mercure dans les poissons et les crustacés jusqu’à des niveaux plusieurs fois supérieurs à ceux des eaux des baies. Les poissons et crustacés vivant dans la rivière accumulent du méthylmercure à des concentrations dangereuses pour les humains qui les utilisent comme nourriture.

% des poissons capturés dans le monde contiennent du mercure en quantités ne dépassant pas 0,5 mg/kg, et 95 % en contiennent moins de 0,3 mg/kg. Presque tout le mercure présent dans le poisson est sous forme de méthylmercure.

Compte tenu de la toxicité différente des composés du mercure pour l'homme dans les produits alimentaires, il est nécessaire de déterminer le mercure inorganique (total) et organique. Nous déterminons uniquement la teneur totale en mercure. Selon les exigences médicales et biologiques, la teneur en mercure de l'eau douce poisson prédateur autorisé 0,6 mg/kg, chez les poissons de mer - 0,4 mg/kg, chez les poissons d'eau douce non prédateurs seulement 0,3 mg/kg et chez le thon jusqu'à 0,7 mg/kg. Dans les aliments pour bébés, la teneur en mercure ne doit pas dépasser 0,02 mg/kg dans la viande en conserve, 0,15 mg/kg dans poisson en boite, pour le reste - 0,01 mg/kg.

Le plomb est présent dans presque toutes les composantes du milieu naturel. La croûte terrestre en contient 0,0016 %. Niveau naturel plomb dans l'atmosphère 0,0005 mg/m3. La majeure partie est déposée avec de la poussière, environ 40 % tombent avec les précipitations. Les plantes obtiennent du plomb à partir du sol, de l’eau et des dépôts atmosphériques, et les animaux reçoivent du plomb en consommant des plantes et de l’eau. Le métal pénètre dans le corps humain avec la nourriture, l'eau et la poussière.

Les principales sources de pollution au plomb dans la biosphère sont les moteurs à essence, dont les gaz d'échappement contiennent du plomb triéthyle, et les centrales thermiques qui brûlent charbon, industries minières, métallurgiques et chimiques. Des quantités importantes de plomb sont introduites dans le sol avec les eaux usées utilisées comme engrais. Pour éteindre un réacteur en feu Centrale nucléaire de Tchernobyl Du plomb a également été utilisé, qui a pénétré dans l’air et s’est dispersé sur de vastes zones. Avec l’augmentation de la pollution environnementale par le plomb, ses dépôts dans les os, les cheveux et le foie augmentent.

Chrome. Le plus dangereux est le chrome toxique (6+), mobilisé dans les sols acides et alcalins, dans les eaux douces et marines. DANS eau de mer le chrome est représenté à 10 - 20 % par la forme Cr (3+), 25 - 40 % - Cr (6+), 45 - 65 % - forme organique. Dans la plage de pH 5 à 7, le Cr (3+) prédomine, et à pH > 7, le Cr (6+) prédomine. On sait que le Cr(6+) et les composés organiques du chrome ne coprécipitent pas avec l’hydroxyde de fer dans l’eau de mer.

Les cycles naturels des substances sont pratiquement fermés. Dans les écosystèmes naturels, la matière et l'énergie sont utilisées avec parcimonie et les déchets de certains organismes servent une condition importante l'existence des autres. Le cycle anthropique des substances s'accompagne d'une énorme consommation de ressources naturelles et d'une grande quantité de déchets qui provoquent une pollution de l'environnement. La création d'installations de traitement, même les plus avancées, ne résout pas le problème. Il est donc nécessaire de développer des technologies produisant peu de déchets et sans déchets, qui rendent le cycle anthropique aussi fermé que possible. Théoriquement, il est possible de créer une technologie sans déchets, mais les technologies à faibles déchets sont réelles.

Adaptation aux phénomènes naturels

Les adaptations sont diverses adaptations à l'environnement développées dans les organismes (du plus simple au plus élevé) au cours du processus d'évolution. La capacité d'adaptation est l'une des principales propriétés des êtres vivants, garantissant la possibilité de leur existence.

Les principaux facteurs développant le processus d'adaptation comprennent : l'hérédité, la variabilité, la sélection naturelle (et artificielle).

La tolérance peut changer si le corps est exposé à différentes conditions extérieures. Se trouvant dans de telles conditions, au bout d'un certain temps il s'y habitue, s'y adapte (de l'adaptation latine - s'adapter). La conséquence en est un changement dans la position de l'optimum physiologique.

La capacité des organismes à s'adapter à l'existence dans un ensemble particulier de facteurs environnementaux est appelée plasticité écologique.

Plus l’éventail de facteurs environnementaux dans lesquels un organisme donné peut vivre est large, plus sa plasticité écologique est grande. Selon le degré de plasticité, on distingue deux types d'organismes : le sténobionte (stenoeki) et l'eurybionte (euryek). Ainsi, les sténobiontes sont écologiquement non plastiques (par exemple, la plie ne vit que dans l'eau salée et le carassin uniquement dans l'eau douce), c'est-à-dire ne sont pas rustiques et les eurybiontes sont écologiquement plastiques, c'est-à-dire plus rustique (par exemple, l’épinoche à trois épines peut vivre aussi bien dans les eaux douces que salées).

Les adaptations sont multidimensionnelles, puisque l'organisme doit simultanément se conformer à de nombreuses divers facteurs environnement.

Il existe trois modes principaux d'adaptation des organismes aux conditions environnementales : actif ; passif; évitement effets indésirables.

La voie active de l'adaptation consiste à renforcer la résistance, à développer des processus de régulation qui permettent d'exercer toutes les fonctions vitales de l'organisme, malgré les écarts du facteur par rapport à l'optimum. Par exemple, les animaux à sang chaud maintiennent une température corporelle constante - optimale pour les processus biochimiques qui s'y déroulent.

La voie passive de l'adaptation est la subordination des fonctions vitales des organismes aux changements des facteurs environnementaux. Par exemple, dans des conditions environnementales défavorables, de nombreux organismes entrent dans un état d'animation suspendue (vie cachée), dans lequel le métabolisme de l'organisme s'arrête pratiquement (état de dormance hivernale, torpeur des insectes, hibernation, conservation des spores dans le sol dans sous forme de spores et de graines).

Évitement des effets indésirables - développement d'adaptations, comportement des organismes (adaptation), qui aident à éviter des conditions défavorables. Dans ce cas, les adaptations peuvent être : morphologiques (la structure du corps change : modification des feuilles d'un cactus), physiologiques (le chameau s'approvisionne en humidité grâce à l'oxydation des réserves graisseuses), éthologiques (changements de comportement : migrations saisonnières). des oiseaux, hibernation en hiver).

Les organismes vivants sont bien adaptés aux facteurs périodiques. Des facteurs non périodiques peuvent provoquer des maladies, voire la mort de l'organisme (par exemple, médicaments, pesticides). Cependant, une exposition prolongée à ces substances peut également entraîner une adaptation.

Les organismes se sont adaptés aux rythmes quotidiens, saisonniers, des marées, aux rythmes de l'activité solaire, phases lunaires et d'autres phénomènes strictement périodiques. Ainsi, l'adaptation saisonnière se distingue comme une saisonnalité dans la nature et un état de dormance hivernale.

Saisonnalité dans la nature. La variation annuelle de la température est la principale importance pour les plantes et les animaux dans l'adaptation des organismes. La période favorable à la vie, en moyenne pour notre pays, dure environ six mois (printemps, été). Avant même l'arrivée des gelées stables, une période de dormance hivernale commence dans la nature.

État de dormance hivernale. La dormance hivernale n'est pas simplement un arrêt du développement dû à basses températures, mais une adaptation physiologique complexe, qui ne se produit qu'à un certain stade de développement. Par exemple, moustique du paludisme et le troglodyte hiverne au stade d'insecte adulte, le papillon du chou au stade de pupe et la spongieuse au stade d'œuf.

Biorythmes. Au cours du processus d'évolution, chaque espèce a développé un cycle annuel caractéristique de croissance et de développement intensifs, de reproduction, de préparation à l'hiver et à l'hivernage. Ce phénomène est appelé rythme biologique. Faites correspondre chaque période cycle de vie avec la période de l’année appropriée est crucial pour l’existence de l’espèce.

Le principal facteur de régulation des cycles saisonniers chez la plupart des plantes et des animaux est le changement de la durée du jour.

Les biorythmes sont :

les rythmes exogènes (externes) (surgissent en réaction à des changements périodiques de l'environnement (changement de jour et de nuit, saisons, activité solaire) les rythmes endogènes (rythmes internes) sont générés par le corps lui-même

À leur tour, les endogènes sont divisés en :

Rythmes physiologiques (battement cardiaque, respiration, travail des glandes endocrines, synthèse d'ADN, d'ARN, de protéines, travail des enzymes, division cellulaire, etc.)

Rythmes écologiques (quotidiens, annuels, de marée, lunaires, etc.)

Les processus d'ADN, d'ARN, de synthèse des protéines, de division cellulaire, de rythme cardiaque, de respiration, etc. sont rythmés. Les influences extérieures peuvent décaler les phases de ces rythmes et modifier leur amplitude.

Les rythmes physiologiques varient selon l'état du corps, les rythmes environnementaux sont plus stables et correspondent à des rythmes externes. Grâce aux rythmes endogènes, le corps peut s’orienter dans le temps et se préparer à l’avance aux changements environnementaux à venir : c’est l’horloge biologique du corps. De nombreux organismes vivants sont caractérisés par des rythmes circadiens et circaniques.

Rythmes circadiens (circadien) - intensités et nature répétitives des processus et phénomènes biologiques sur une période de 20 à 28 heures. Les rythmes circadiens sont associés à l'activité des animaux et des plantes pendant la journée et dépendent généralement de la température et de l'intensité lumineuse. Par exemple, les chauves-souris ils volent au crépuscule et se reposent pendant la journée ; de nombreux organismes planctoniques restent près de la surface de l'eau la nuit et descendent dans les profondeurs pendant la journée.

Les rythmes biologiques saisonniers sont associés à l'influence de la lumière - photopériode. La réponse des organismes à la durée du jour est appelée photopériodisme. Le photopériodisme est une adaptation générale importante qui régule les phénomènes saisonniers chez une grande variété d’organismes. L'étude du photopériodisme chez les plantes et les animaux a montré que la réaction des organismes à la lumière repose sur une alternance de périodes de lumière et d'obscurité d'une certaine durée au cours de la journée. La réponse des organismes (des organismes unicellulaires aux humains) à la durée du jour et de la nuit montre qu'ils sont capables de mesurer le temps, c'est-à-dire Ils possèdent une sorte d’horloge biologique. Les horloges biologiques, en plus des cycles saisonniers, contrôlent de nombreux autres phénomènes biologiques et déterminent le rythme quotidien correct de l'activité d'organismes entiers et des processus se produisant même au niveau cellulaire, en particulier la division cellulaire.

Une propriété universelle de tous les êtres vivants, des virus et micro-organismes aux plantes supérieures et les animaux, est la capacité de donner des mutations - des changements héréditaires soudains, naturels et artificiellement provoqués dans le matériel génétique, conduisant à des changements dans certaines caractéristiques du corps. La variabilité mutationnelle ne répond pas aux conditions environnementales et, en règle générale, perturbe les adaptations existantes.

De nombreux insectes entrent en diapause (arrêt prolongé du développement) à un certain stade de développement, qu'il ne faut pas confondre avec un état de repos dans des conditions défavorables. La reproduction de nombreux animaux marins est influencée par les rythmes lunaires.

Les rythmes circaniens (annuels) sont des changements répétés dans l'intensité et la nature des processus et phénomènes biologiques sur une période de 10 à 13 mois.

L'état physique et psychologique d'une personne a également un caractère rythmique.

Le rythme perturbé du travail et du repos réduit les performances et a un effet néfaste sur la santé humaine. L’état d’une personne dans des conditions extrêmes dépendra de son degré de préparation à ces conditions, car il n’y a pratiquement pas de temps pour s’adapter et se rétablir.

Pour que la biosphère continue d'exister et que son mouvement (développement) ne s'arrête pas, la circulation de substances biologiquement importantes doit avoir lieu en permanence sur Terre. Cette transition de substances biologiquement importantes de lien en lien ne peut s'effectuer qu'avec une certaine dépense d'énergie, dont la source est le Soleil.

L'énergie solaire fournit deux cycles de substances sur Terre :

- cycle géologique (abiotique) ou grand cycle ;

- cycle biologique (biotique), ou petit cycle.

Cycle géologique se manifeste le plus clairement dans le cycle de l’eau et la circulation atmosphérique.

La Terre reçoit annuellement environ 21,10,20 kJ d'énergie rayonnante du Soleil. Environ la moitié est consacrée à l’évaporation de l’eau. C’est ce qui provoque le grand cycle.

Le cycle de l'eau dans la biosphère repose sur le fait que son évaporation totale de la surface de la Terre est compensée par les précipitations. Dans le même temps, plus d’eau s’évapore de l’océan qu’elle n’en revient avec les précipitations. Sur terre, au contraire, il tombe plus de précipitations que d’eau ne s’évapore. Son excédent se déverse dans les rivières et les lacs, puis de là dans l'océan.

Au cours du cycle géologique de l'eau, les composés minéraux sont transférés d'un endroit à un autre à l'échelle planétaire et l'état global de l'eau change également (liquide, solide - neige, glace ; gazeux - vapeur). L'eau circule le plus intensément à l'état de vapeur.

Avec l'avènement de la matière vivante basée sur la circulation de l'atmosphère, de l'eau, des composés minéraux qui y sont dissous, c'est-à-dire sur la base du cycle abiotique et géologique, un cycle de matière organique, ou petit, est né, cycle biologique.

À mesure que la matière vivante se développe, de plus en plus d’éléments sont constamment extraits du cycle géologique et entrent dans un nouveau cycle biologique.

Contrairement au simple transfert et au mouvement des éléments minéraux dans le grand cycle (géologique), dans le petit cycle (biologique), les points les plus importants sont la synthèse et la destruction des composés organiques. Ces deux processus entretiennent une certaine relation qui sous-tend la vie et constitue l'une de ses principales caractéristiques.

Contrairement au cycle géologique, le cycle biologique a une énergie plus faible. Comme on le sait, seulement 0,1 à 0,2 % de l'énergie solaire incidente sur Terre est consacrée à la création de matière organique (jusqu'à 50 % pour le cycle géologique). Malgré cela, l'énergie impliquée dans le cycle biologique est dépensée pour l'énorme travail de création de production primaire sur Terre.

Avec l'apparition de la matière vivante sur Terre, les éléments chimiques circulent continuellement dans la biosphère, se déplaçant de environnement externe dans les organismes et retourne dans l’environnement extérieur.

Une telle circulation d'éléments chimiques le long de chemins plus ou moins fermés, se produisant grâce à l'énergie solaire à travers des organismes vivants, est appelée cycle biogéochimique (cycle).

Les principaux cycles biogéochimiques sont les cycles de l'oxygène, du carbone, de l'azote, du phosphore, du soufre, de l'eau et des nutriments.

Cycle du carbone.

Sur terre, le cycle du carbone commence par la fixation du dioxyde de carbone par les plantes lors de la photosynthèse. Des glucides sont alors formés à partir du dioxyde de carbone et de l'eau et de l'oxygène sont libérés. Dans ce cas, le carbone est partiellement libéré lors de la respiration des plantes sous forme de dioxyde de carbone. Le carbone fixé dans les plantes est dans une certaine mesure consommé par les animaux. Les animaux rejettent également du dioxyde de carbone lorsqu’ils respirent. Les animaux et les plantes morts sont décomposés par des micro-organismes, ce qui provoque l'oxydation du carbone contenu dans la matière organique morte en dioxyde de carbone et son rejet dans l'atmosphère.

Un cycle du carbone similaire se produit dans l’océan.

Cycle de l'azote.

Le cycle de l'azote, comme les autres cycles biogéochimiques, couvre toutes les zones de la biosphère. Le cycle de l'azote est associé à sa conversion en nitrates grâce à l'activité des bactéries fixatrices et nitrifiantes de l'azote. Les nitrates sont absorbés par les plantes à partir du sol ou de l'eau. Les plantes sont mangées par les animaux. Finalement, les décomposeurs reconvertissent l’azote sous forme gazeuse et le rejettent dans l’atmosphère.

Dans les conditions modernes, les humains sont intervenus dans le cycle de l’azote en cultivant des légumineuses fixatrices d’azote sur de vastes zones et en fixant artificiellement l’azote naturel. On estime que l’agriculture et l’industrie fournissent près de 60 % plus d’azote fixe que les écosystèmes terrestres naturels.

Un cycle similaire de l’azote est observé dans le milieu aquatique.

Cycle du phosphore.

Contrairement au carbone et à l’azote, les composés du phosphore se trouvent dans les roches qui s’érodent et libèrent des phosphates. La plupart d’entre eux finissent dans les mers et les océans et peuvent être partiellement rejetés sur terre par le biais des chaînes alimentaires marines se terminant par les oiseaux piscivores. Certains phosphates pénètrent dans le sol et sont absorbés par les racines des plantes. L'absorption du phosphore par les plantes dépend de l'acidité de la solution du sol : à mesure que l'acidité augmente, les phosphates pratiquement insolubles dans l'eau se transforment en acide phosphorique hautement soluble. Les plantes sont ensuite mangées par les animaux.

Les principaux maillons des cycles biogéochimiques sont divers organismes dont la variété des formes détermine l'intensité des cycles et l'implication de presque tous les éléments de la croûte terrestre.

En général, chaque cycle de tout élément chimique fait partie du grand cycle général des substances sur Terre, c'est-à-dire ils sont étroitement liés.

La biosphère terrestre est caractérisée par un certain cycle de substances et un flux d'énergie. Le cycle des substances est la participation répétée de substances aux processus qui se produisent dans l'atmosphère, l'hydrosphère et la lithosphère, y compris les couches qui font partie de la biosphère terrestre. La circulation de la matière s'effectue avec un apport continu d'énergie externe provenant du Soleil et d'énergie interne provenant de la Terre.

Selon la force motrice, au sein du cycle des substances, on peut distinguer les cycles géologiques (grand cycle), biologiques (biogéochimiques, petit cycle) et anthropiques.

Cycle géologique (grand cycle des substances dans la biosphère)

Ce cycle redistribue la matière entre la biosphère et les horizons plus profonds de la Terre. Ce sont les processus géologiques exogènes et endogènes qui sont à l’origine de ce processus. Les processus endogènes se produisent sous l'influence de l'énergie interne de la Terre. Il s'agit de l'énergie libérée à la suite de la désintégration radioactive, des réactions chimiques de formation de minéraux, etc. Les processus endogènes comprennent, par exemple, les mouvements tectoniques et les tremblements de terre. Ces processus conduisent à la formation de grands reliefs (continents, bassins océaniques, montagnes et plaines). Processus exogènes se produisent sous l’influence de l’énergie externe du Soleil. Celles-ci incluent l'activité géologique de l'atmosphère, de l'hydrosphère, des organismes vivants et des humains. Ces processus conduisent à un lissage des grandes formes en relief ( Vallées fluviales, collines, ravins, etc.).

Le cycle géologique se poursuit pendant des millions d'années et consiste dans le fait que les roches sont détruites et que les produits d'altération (y compris les nutriments solubles dans l'eau) sont transportés par les courants d'eau dans l'océan mondial, où ils forment des strates marines et ne retournent que partiellement sur terre avec précipitation. Les changements géotectoniques, les processus d'affaissement des continents et d'élévation des fonds marins, le mouvement des mers et des océans sur une longue période de temps conduisent au retour de ces strates sur terre et le processus recommence. Le symbole de ce cycle de substances est une spirale et non un cercle, car le nouveau cycle ne répète pas exactement l’ancien, mais introduit quelque chose de nouveau.

Le grand cycle fait référence au cycle de l'eau (cycle hydrologique) entre la terre et l'océan en passant par l'atmosphère (Fig. 3.2).

Le cycle de l’eau dans son ensemble joue un rôle majeur dans la formation des conditions naturelles de notre planète. Compte tenu de la transpiration de l'eau par les plantes et de son absorption dans le cycle biogéochimique, la totalité de l'approvisionnement en eau sur Terre se décompose et se rétablit en 2 millions d'années.

Riz. 3. 2. Cycle de l'eau dans la biosphère.

Dans le cycle hydrologique, toutes les parties de l’hydrosphère sont interconnectées. Plus de 500 000 km3 d'eau y participent chaque année. Le moteur de ce processus est l’énergie solaire. Sous l'influence de l'énergie solaire, les molécules d'eau s'échauffent et montent sous forme de gaz dans l'atmosphère (s'évapore quotidiennement - 875 km3 eau fraiche). En s'élevant, ils se refroidissent progressivement, se condensent et forment des nuages. Une fois suffisamment refroidis, les nuages ​​libèrent de l’eau sous forme de précipitations diverses qui retombent dans l’océan. L’eau qui atteint le sol peut suivre deux chemins différents : soit en s’infiltrant dans le sol (infiltration), soit en s’écoulant à travers celui-ci (ruissellement de surface). À la surface, l’eau s’écoule dans les ruisseaux et les rivières et se dirige vers l’océan ou vers d’autres endroits où se produit l’évaporation. L'eau absorbée dans le sol peut être retenue dans ses couches supérieures (horizons) et renvoyée dans l'atmosphère par transpiration. Cette eau est appelée capillaire. L’eau qui est emportée par la gravité et s’infiltre à travers les pores et les fissures est appelée gravitationnelle. L’eau par gravité s’infiltre dans une couche impénétrable de roche ou d’argile dense, comblant tous les vides. Ces réserves sont appelées eaux souterraines et leur limite supérieure est le niveau de la nappe phréatique. Les couches souterraines de roche à travers lesquelles les eaux souterraines s'écoulent lentement sont appelées aquifères. Sous l'influence de la gravité, les eaux souterraines se déplacent à travers l'aquifère jusqu'à ce qu'elles trouvent une « issue » (par exemple, formant des sources naturelles qui alimentent les lacs, les rivières, les étangs, c'est-à-dire qu'elles font partie de eaux de surface). Ainsi, le cycle de l’eau comprend trois « boucles » principales : le ruissellement de surface, l’évaporation-transpiration et les eaux souterraines. Le cycle de l'eau sur Terre implique chaque année plus de 500 000 km3 d'eau et joue un rôle majeur dans la formation des conditions naturelles.

Cycle biologique (biogéochimique)

(petit cycle de substances dans la biosphère)

La force motrice du cycle biologique des substances est l'activité des organismes vivants. Il fait partie d’un ensemble plus vaste et se produit dans la biosphère au niveau de l’écosystème. Le petit cycle consiste dans le fait que les nutriments, l'eau et le carbone s'accumulent dans la substance des plantes (autotrophes) et sont dépensés pour la construction des corps et les processus vitaux des plantes et d'autres organismes (généralement des animaux - hétérotrophes) qui mangent ces plantes. Les produits de décomposition de la matière organique sous l'influence de décomposeurs et de micro-organismes (bactéries, champignons, vers) se décomposent à nouveau en composants minéraux. Ces substances inorganiques peuvent être réutilisées pour la synthèse de substances organiques par les autotrophes.

Dans les cycles biogéochimiques, on distingue un fonds de réserve (substances qui ne sont pas associées aux organismes vivants) et un fonds d'échange (substances associées par échange direct entre les organismes et leur environnement immédiat).

Selon la localisation du fonds de réserve, les cycles biogéochimiques sont divisés en deux types :

Cycles de type gazeux avec un fonds de réserve de substances dans l'atmosphère et l'hydrosphère (cycles du carbone, de l'oxygène, de l'azote).

Cycles sédimentaires avec un fonds de réserve dans la croûte terrestre (cycles du phosphore, du calcium, du fer...).

Les circulations de type gazeux, disposant d'un fonds d'échange important, sont plus parfaites. Et, en outre, ils sont capables d’une autorégulation rapide. Les cycles sédimentaires sont moins parfaits, ils sont plus inertes, puisque l'essentiel de la substance est contenue dans le fonds de réserve de la croûte terrestre sous une forme inaccessible aux organismes vivants. De tels cycles sont facilement perturbés par divers types d’influences et une partie du matériel échangé quitte le cycle. Il ne peut réintégrer le cycle que par suite de processus géologiques ou par extraction par la matière vivante.

L'intensité du cycle biologique est déterminée par la température ambiante et la quantité d'eau. Par exemple, le cycle biologique est plus intense dans les forêts tropicales humides que dans la toundra.

Cycles des nutriments et éléments de base

Cycle du carbone

Toute vie sur terre est basée sur le carbone. Chaque molécule d'un organisme vivant est construite à partir d'un squelette carboné. Les atomes de carbone migrent constamment d'une partie de la biosphère à une autre (Fig. 3. 3.).

Riz. 3. 3. Cycle du carbone.

Les principales réserves de carbone sur Terre se présentent sous forme de dioxyde de carbone (CO2) contenu dans l’atmosphère et dissous dans les océans. Les plantes absorbent les molécules de dioxyde de carbone lors de la photosynthèse. En conséquence, l’atome de carbone est converti en une variété de composés organiques et ainsi incorporés dans la structure des plantes. Il existe plusieurs options ci-dessous :

· le carbone reste dans les plantes ® les molécules végétales servent de nourriture aux décomposeurs (organismes qui se nourrissent de matière organique morte et la décomposent en même temps en composés inorganiques simples) ® le carbone retourne dans l'atmosphère sous forme de CO2 ;

· les plantes sont mangées par les herbivores ® le carbone est restitué à l'atmosphère lors de la respiration des animaux et lors de leur décomposition après la mort ; ou bien les herbivores seront mangés par les carnivores et ensuite le carbone retournera à nouveau dans l'atmosphère de la même manière ;

· les plantes, après leur mort, se transforment en combustibles fossiles (par exemple le charbon) ® le carbone retourne dans l'atmosphère après l'utilisation de combustibles, les éruptions volcaniques et d'autres processus géothermiques.

Dans le cas de la dissolution de la molécule initiale de CO2 dans l'eau de mer, plusieurs options sont également possibles : le dioxyde de carbone peut simplement retourner dans l'atmosphère (ce type d'échange gazeux mutuel entre l'océan mondial et l'atmosphère se produit constamment) ; le carbone peut pénétrer dans les tissus des plantes ou des animaux marins, puis il s'accumulera progressivement sous forme de sédiments au fond des océans du monde et finira par se transformer en calcaire ou à partir des sédiments, passer à nouveau dans l'eau de mer.

Le taux de cycle du CO2 est d'environ 300 ans.

L'intervention humaine dans le cycle du carbone (combustion du charbon, du pétrole, du gaz, déshumidification) entraîne une augmentation de la teneur en CO2 de l'atmosphère et le développement Effet de serre. La recherche sur le cycle du carbone est désormais devenue tâche importante pour les scientifiques qui étudient l'atmosphère.

Cycle de l'oxygène

L'oxygène est l'élément le plus répandu sur Terre (l'eau de mer contient 85,82 % d'oxygène, l'air atmosphérique 23,15 % et la croûte terrestre 47,2 %). Les composés oxygénés sont indispensables au maintien de la vie (jouer rôle vital dans les processus métaboliques et la respiration, fait partie des protéines, des graisses et des glucides à partir desquels les organismes sont « construits »). La majeure partie de l'oxygène est dans un état lié (la quantité d'oxygène moléculaire dans l'atmosphère ne représente que 0,01 % de la teneur totale en oxygène de la croûte terrestre).

L’oxygène étant contenu dans de nombreux composés chimiques, son cycle dans la biosphère est très complexe et s’effectue principalement entre l’atmosphère et les organismes vivants. La concentration d'oxygène dans l'atmosphère est maintenue par la photosynthèse, grâce à laquelle les plantes vertes, sous l'influence de la lumière du soleil, transforment le dioxyde de carbone et l'eau en glucides et en oxygène. La majeure partie de l'oxygène est produite par les plantes terrestres - près des ¾, le reste - par les organismes photosynthétiques de l'océan mondial. Une source puissante l'oxygène est aussi la décomposition photochimique de la vapeur d'eau dans les couches supérieures de l'atmosphère sous l'influence des rayons ultraviolets du soleil. De plus, l’oxygène complète le cycle le plus important en entrant dans la composition de l’eau. Une petite quantité d’oxygène se forme à partir de l’ozone sous l’influence du rayonnement ultraviolet.

La vitesse du cycle de l'oxygène est d'environ 2 000 ans.

La déforestation, l'érosion des sols et diverses exploitations minières à ciel ouvert réduisent la masse totale de photosynthèse et réduisent le cycle de l'oxygène sur de vastes zones. De plus, 25 % de l'oxygène généré suite à l'assimilation est consommé annuellement pour les besoins industriels et domestiques.

Cycle de l'azote

Le cycle biogéochimique de l'azote, comme les cycles précédents, couvre toutes les zones de la biosphère (Fig. 3.4).

Riz. 3. 4. Cycle de l'azote.

L'azote pénètre dans l'atmosphère terrestre sous une forme non liée sous forme de molécules diatomiques (environ 78 % du volume total de l'atmosphère est constitué d'azote). De plus, l'azote est présent dans les plantes et les organismes animaux sous forme de protéines. Les plantes synthétisent des protéines en absorbant les nitrates du sol. Les nitrates s'y forment à partir des composés atmosphériques d'azote et d'ammonium présents dans le sol. Le processus de conversion de l’azote atmosphérique en une forme pouvant être utilisée par les plantes et les animaux est appelé fixation de l’azote. Lorsque les matières organiques pourrissent, une partie importante de l'azote qu'elles contiennent est transformée en ammoniac qui, sous l'influence des bactéries nitrifiantes vivant dans le sol, est ensuite oxydée en acide nitrique. Cet acide, réagissant avec les carbonates du sol (par exemple le carbonate de calcium CaCO3), forme des nitrates. Une partie de l'azote est toujours libérée lors de la décomposition sous forme libre dans l'atmosphère. De plus, de l'azote libre est libéré lors de la combustion de substances organiques, lors de la combustion du bois, du charbon et de la tourbe. De plus, il existe des bactéries qui, en cas d'accès à l'air insuffisant, peuvent extraire l'oxygène des nitrates, les détruire et libérer de l'azote libre. L'activité des bactéries dénitrifiantes conduit au fait qu'une partie de l'azote sous forme disponible pour les plantes vertes (nitrates) devient inaccessible (azote libre). Ainsi, tout l'azote qui faisait partie des plantes mortes ne retourne pas au sol (une partie est progressivement libérée sous forme libre).

Les processus qui compensent les pertes d'azote comprennent tout d'abord les décharges électriques se produisant dans l'atmosphère, qui produisent toujours une certaine quantité d'oxydes d'azote (ces derniers, avec l'eau, produisent de l'acide nitrique, qui se transforme en nitrates dans le sol). Une autre source de reconstitution des composés azotés du sol est l'activité vitale des soi-disant azotobactéries, capables d'assimiler l'azote atmosphérique. Certaines de ces bactéries s'installent sur les racines des plantes de la famille des légumineuses, provoquant la formation de gonflements caractéristiques - les nodules. Les bactéries nodulaires, assimilant l'azote atmosphérique, le transforment en composés azotés et les plantes, à leur tour, convertissent ces derniers en protéines et autres substances complexes. Ainsi, un cycle continu de l’azote se produit dans la nature.

Étant donné que chaque année, les parties des plantes les plus riches en protéines (par exemple les céréales) sont retirées des champs lors de la récolte, le sol « nécessite » l'application d'engrais pour compenser la perte qu'il contient. éléments essentiels nutrition des plantes. On utilise principalement le nitrate de calcium (Ca(NO)2), le nitrate d'ammonium (NH4NO3), le nitrate de sodium (NANO3) et le nitrate de potassium (KNO3). De plus, au lieu d'engrais chimiques, on utilise les plantes elles-mêmes de la famille des légumineuses. Si la quantité d'engrais azotés artificiels appliquée au sol est excessivement importante, les nitrates pénètrent également dans le corps humain, où ils peuvent être transformés en nitrites, qui sont hautement toxiques et peuvent provoquer le cancer.

Cycle du phosphore

La majeure partie du phosphore est contenue dans des roches formées au cours des époques géologiques passées. La teneur en phosphore de la croûte terrestre varie de 8 à 10 à 20 % (en poids) et on le trouve ici sous forme de minéraux (fluorapatite, chlorapatite, etc.), qui font partie des phosphates naturels - apatites et phosphorites. Le phosphore peut entrer dans le cycle biogéochimique en raison de l’altération des roches. Les processus d’érosion transportent du phosphore dans la mer sous forme d’apatite minérale. Les organismes vivants jouent un rôle important dans la transformation du phosphore. Les organismes extraient le phosphore des sols et des solutions aqueuses. Le phosphore est ensuite transféré à travers les chaînes alimentaires. Avec la mort des organismes, le phosphore retourne dans le sol et la boue marine et se concentre sous forme de dépôts de phosphate marin, ce qui crée à son tour les conditions nécessaires à la création de roches riches en phosphore (Fig. 3. 5.).

Riz. 3.5. Cycle du phosphore dans la biosphère (d'après P. Duvigneau, M. Tang, 1973 ; tel que modifié).

Si les engrais phosphorés sont mal utilisés, en raison de l'érosion hydrique et éolienne (destruction sous l'influence de l'eau ou du vent), une grande quantité de phosphore est éliminée du sol. D'une part, cela conduit à une consommation excessive d'engrais phosphorés et à un épuisement des réserves de minerais contenant du phosphore.

En revanche, une teneur accrue en phosphore dans les voies navigables de son transport provoque une augmentation rapide de la biomasse des plantes aquatiques, une « floraison des plans d'eau » et leur eutrophisation (enrichissement en nutriments).

Étant donné que les plantes éliminent une quantité importante de phosphore du sol et que la reconstitution naturelle des composés phosphorés dans le sol est extrêmement insignifiante, l'application d'engrais phosphorés sur le sol est l'une des mesures les plus importantes pour augmenter la productivité. Environ 125 millions de tonnes de minerai de phosphate sont extraites chaque année dans le monde. La majeure partie est consacrée à la production d’engrais phosphatés.

Cycle du soufre

Le principal fonds de réserve de soufre se trouve dans les sédiments, le sol et l'atmosphère. le rôle principal dans l'implication du soufre dans le cycle biogéochimique appartient aux micro-organismes. Certains d'entre eux sont des agents réducteurs, d'autres sont des agents oxydants (Fig. 3. 6.).

Riz. 3. 6. Cycle du soufre (d'après Yu. Odum, 1975).

Dans la nature grandes quantités On connaît divers sulfures de fer, de plomb, de zinc... Le sulfure de soufre est oxydé dans la biosphère en sulfate de soufre. Les sulfates sont absorbés par les plantes. Dans les organismes vivants, le soufre fait partie des acides aminés et des protéines, et chez les plantes, il fait également partie de huiles essentielles etc. Les processus de destruction des restes d'organismes dans les sols et dans les boues marines s'accompagnent de transformations complexes du soufre (les micro-organismes créent de nombreux composés soufrés intermédiaires). Après la mort des organismes vivants, une partie du soufre est réduite dans le sol par les micro-organismes en H2S, l'autre partie est oxydée en sulfates et est à nouveau incluse dans le cycle. Le sulfure d'hydrogène résultant dans l'atmosphère est oxydé et renvoyé au sol par précipitation. De plus, le sulfure d’hydrogène peut reformer des sulfures « secondaires », et le sulfate de soufre crée du gypse. À leur tour, les sulfures et le gypse sont à nouveau détruits et le soufre reprend sa migration.

De plus, le soufre sous forme de SO2, SO3, H2S et de soufre élémentaire est rejeté dans l'atmosphère par les volcans.

Le cycle du soufre peut être perturbé par l'intervention humaine. La raison en est la combustion du charbon et les émissions industrie chimique, entraînant la formation de dioxyde de soufre, qui perturbe les processus de photosynthèse et entraîne la mort de la végétation.

Ainsi, les cycles biogéochimiques assurent l'homéostasie de la biosphère. Cependant, ils sont largement sensibles à l’influence humaine. Et l’une des actions anti-écologiques les plus puissantes de l’homme est associée à la perturbation, voire à la destruction des cycles naturels (ils deviennent acycliques).

Cycle anthropique

Le moteur du cycle anthropique est l’activité humaine. Ce cycle comprend deux composantes : biologique, associée au fonctionnement de l'homme en tant qu'organisme vivant, et technique, associée aux activités économiques des personnes. Le cycle anthropique, contrairement aux cycles géologique et biologique, n’est pas fermé. Cette absence de fermeture entraîne un épuisement des ressources naturelles et une pollution du milieu naturel.

Toutes les substances sur notre planète sont en train de circuler. L'énergie solaire provoque deux cycles de substances sur Terre :

1) Grand (géologique ou abiotique) ;

2) Petit (biotique, biogénique ou biologique).

Les cycles de matière et les flux d'énergie cosmique créent la stabilité de la biosphère. Le cycle de la matière solide et de l'eau qui se produit sous l'action de facteurs abiotiques (nature inanimée) est appelé grand cycle géologique. Au cours d'un grand cycle géologique (qui dure des millions d'années), les roches sont détruites, altérées, les substances se dissolvent et pénètrent dans l'océan mondial ; des changements géotectoniques, un affaissement des continents et un soulèvement des fonds marins se produisent. La durée du cycle de l'eau dans les glaciers est de 8 000 ans, dans les rivières - 11 jours. C’est le grand cycle qui approvisionne les organismes vivants en nutriments et détermine en grande partie les conditions de leur existence.

Grand cycle géologique dans la biosphère se caractérise par deux points importants :

a) s'effectue tout au long du développement géologique de la Terre ;

b) est un processus planétaire moderne qui joue un rôle majeur dans le développement futur de la biosphère.

Au stade actuel du développement humain, du fait du grand cycle, des polluants tels que les oxydes de soufre et d'azote, les poussières et les impuretés radioactives sont également transportés sur de longues distances. Les zones de latitudes tempérées de l'hémisphère Nord ont été les plus contaminées.

Un petit cycle biogénique ou biologique de substances se déroule en phases solides, liquides et gazeuses avec la participation d'organismes vivants. Le cycle biologique, contrairement au cycle géologique, nécessite moins d’énergie. Le petit cycle fait partie d'un grand cycle et se déroule au niveau des biogéocénoses (au sein écosystèmes) et réside dans le fait que les nutriments du sol, l’eau et le carbone s’accumulent dans la matière végétale et sont dépensés pour la construction du corps. Les produits de décomposition de la matière organique se décomposent en composants minéraux. Le petit gyre n'est pas fermé, qui est associé au flux de substances et d'énergie dans l'écosystème depuis l'extérieur et à la libération de certaines d'entre elles dans le cycle de la biosphère.

De nombreux éléments chimiques et leurs composés sont impliqués dans les grands et petits cycles, mais les plus importants d'entre eux sont ceux qui déterminent le stade actuel de développement de la biosphère, associé à l'activité économique humaine. Il s'agit notamment des gyres carbone, soufre et azote(leurs oxydes - les principaux polluants atmosphériques), et le phosphore (les phosphates sont le principal polluant des eaux continentales). Presque tous les polluants sont considérés comme nocifs et sont classés comme xénobiotiques.

Actuellement, les cycles des xénobiotiques – éléments toxiques – revêtent une grande importance mercure (un contaminant alimentaire) produits) et le plomb (un composant de l'essence). De plus, de nombreuses substances d'origine anthropique (DDT, pesticides, radionucléides, etc.) qui nuisent au biote et à la santé humaine proviennent du grand cycle vers le petit.

L'essence du cycle biologique réside dans l'apparition de deux processus opposés mais interconnectés - création la matière organique et ses destruction substance vivante.

Contrairement au grand gyre, le petit gyre a une durée différente : on distingue les petits gyres saisonniers, annuels, pérennes et séculaires..

Le cycle des produits chimiques de l'environnement inorganique à travers la végétation et les animaux vers l'environnement inorganique en utilisant des réactions chimiques à l'énergie solaire est appelé cycle biogéochimique .

Le présent et l'avenir de notre planète dépendent de la participation des organismes vivants au fonctionnement de la biosphère. Dans le cycle des substances, la matière vivante, ou biomasse, remplit des fonctions biogéochimiques : gaz, concentration, redox et biochimique.

Le cycle biologique se déroule avec la participation d'organismes vivants et consiste en la reproduction de la matière organique de l'inorganique et la décomposition de cette matière organique en inorganique à travers la chaîne trophique alimentaire. L'intensité des processus de production et de destruction dans le cycle biologique dépend de la quantité de chaleur et d'humidité. Par exemple, le faible taux de décomposition de la matière organique dans les régions polaires dépend du déficit thermique.

Un indicateur important de l'intensité du cycle biologique est le taux de circulation des éléments chimiques. L'intensité est caractérisée indice , égal au rapport entre la masse de litière forestière et la litière. Plus l'indice est élevé, plus l'intensité de la circulation est faible.

Indice dans les forêts de conifères - 10 - 17 ; à feuilles larges 3 - 4 ; savane pas plus de 0,2 ; dans les forêts tropicales humides, pas plus de 0,1, c'est-à-dire Ici, le cycle biologique est le plus intense.

Le flux d'éléments (azote, phosphore, soufre) à travers les micro-organismes est d'un ordre de grandeur supérieur à celui à travers les plantes et les animaux. Le cycle biologique n’est pas complètement réversible ; il est étroitement lié au cycle biogéochimique. Les éléments chimiques circulent dans la biosphère selon différentes voies du cycle biologique :

sont absorbés par la matière vivante et chargés d'énergie ;

quitter la matière vivante, libérant de l'énergie dans l'environnement extérieur.

Ces cycles sont de deux types : le cycle des substances gazeuses ; cycle sédimentaire (réserve dans la croûte terrestre).

Les gyres eux-mêmes se composent de deux parties :

- Fonds de réserve(c'est la partie de la substance qui n'est pas associée aux organismes vivants) ;

- fonds mobile (d'échange)(une plus petite partie de la substance associée à un échange direct entre les organismes et leur environnement immédiat).

Les gyres sont divisés en :

Gyres type de gaz avec fonds de réserve dans la croûte terrestre (cycles du carbone, de l'oxygène, de l'azote) - capable d'une autorégulation rapide ;

Gyres type sédimentaire avec fonds de réserve dans la croûte terrestre (cycles du phosphore, du calcium, du fer, etc.) - sont plus inertes, l'essentiel de la substance est sous une forme « inaccessible » aux organismes vivants.

Les gyres peuvent également être divisés en :

- fermé(la circulation de substances gazeuses, par exemple l'oxygène, le carbone et l'azote, constitue une réserve dans l'atmosphère et l'hydrosphère de l'océan, le déficit est donc rapidement compensé) ;

- ouvrir(création d'un fonds de réserve dans la croûte terrestre, par exemple pour le phosphore - donc les pertes sont mal compensées, c'est-à-dire qu'un déficit est créé).

La base énergétique de l'existence des cycles biologiques sur Terre et leur lien initial est le processus de photosynthèse. Chaque nouveau cycle n’est pas une répétition exacte du précédent. Par exemple, au cours de l'évolution de la biosphère, certains processus ont été irréversibles, entraînant la formation et l'accumulation de sédiments biogéniques, une augmentation de la quantité d'oxygène dans l'atmosphère, des modifications des rapports quantitatifs des isotopes d'un certain nombre d'éléments. , etc.

La circulation des substances est généralement appelée cycles biogéochimiques . Cycles biogéochimiques (biosphère) de base des substances : cycle de l'eau, cycle de l'oxygène, cycle de l'azote(implication de bactéries fixatrices d'azote), cycle du carbone(participation de bactéries aérobies ; chaque année environ 130 tonnes de carbone sont rejetées dans le cycle géologique), cycle du phosphore(implication des bactéries du sol ; 14 millions de tonnes de phosphore), cycle du soufre, cycle des cations métalliques.

Dans la biosphère, il existe un cycle global (grand ou géologique) de substances qui existait avant l'apparition des premiers organismes vivants. Une grande variété d’éléments chimiques y sont impliqués. Le cycle géologique s'effectue grâce aux énergies solaires, gravitationnelles, tectoniques et cosmiques.

Avec l'avènement de la matière vivante sur la base du cycle géologique, un cycle de matière organique est apparu - un petit cycle (biotique ou biologique).

Le cycle biotique des substances est un processus continu, cyclique, inégal dans le temps et dans l'espace de mouvement et de transformation de substances, se produisant avec la participation directe d'organismes vivants. Il s'agit d'un processus continu de création et de destruction de matière organique et se réalise avec la participation des trois groupes d'organismes : producteurs, consommateurs et décomposeurs. Environ 40 éléments biogéniques sont impliqués dans les cycles biotiques. Valeur la plus élevée pour les organismes vivants, il existe des cycles de carbone, d'hydrogène, d'oxygène, d'azote, de phosphore, de soufre, de fer, de potassium, de calcium et de magnésium.

À mesure que la matière vivante se développe, de plus en plus d’éléments sont constamment extraits du cycle géologique et entrent dans un nouveau cycle biologique. La masse totale de cendres impliquées chaque année dans le cycle biotique des substances sur terre est d'environ 8 milliards de tonnes. C'est plusieurs fois plus que la masse de produits produits par les éruptions de tous les volcans du monde tout au long de l'année. Le taux de circulation de la matière dans la biosphère est différent. La matière vivante de la biosphère se renouvelle en moyenne tous les 8 ans, la masse de phytoplancton de l'océan est mise à jour quotidiennement. Tout l’oxygène de la biosphère traverse la matière vivante en 2000 ans et le dioxyde de carbone en 300 ans.

Dans les écosystèmes, des cycles biotiques locaux ont lieu et dans la biosphère, des cycles biogéochimiques de migration atomique ont lieu, qui non seulement relient les trois coques externes de la planète en un seul tout, mais déterminent également l'évolution continue de sa composition.

ATMOSPHÈRE HYDROSPHÈRE

­ ¯ ­ ¯

SUBSTANCE VIVANTE

LE SOL

Evolution de la biosphère

La biosphère est apparue avec l’émergence des premiers organismes vivants il y a environ 3,5 milliards d’années. Au fur et à mesure que la vie évoluait, elle changeait. Les étapes de l'évolution de la biosphère peuvent être distinguées en tenant compte des caractéristiques du type d'écosystèmes.

1. L'émergence et le développement de la vie dans l'eau. L'étape est associée à l'existence d'écosystèmes aquatiques. Il n'y avait pas d'oxygène dans l'atmosphère.

2. L'émergence d'organismes vivants sur terre, l'évolution de l'environnement sol-air et des sols et l'émergence d'écosystèmes terrestres. Cela est devenu possible grâce à l’apparition de l’oxygène dans l’atmosphère et à l’écran d’ozone. Cela s'est produit il y a 2,5 milliards d'années.

3. L'apparition de l'homme, sa transformation en être biosocial et l'émergence des anthropoécosystèmes se sont produits il y a 1 million d'années.

4. La transition de la biosphère sous l'influence d'une activité humaine intelligente vers un nouvel état qualitatif - vers la noosphère.

Noosphère

L'étape la plus élevée le développement de la biosphère est la noosphère - l'étape de régulation raisonnable des relations entre l'homme et la nature. Ce terme a été introduit en 1927 par le philosophe français E. Leroy. Il croyait que la noosphère comprenait la société humaine avec son industrie, son langage et d'autres attributs d'activité intelligente. Dans les années 30-40. XXe siècle V.I. Vernadsky a développé des idées matérialistes sur la noosphère. Il croyait que la noosphère naît de l'interaction de la biosphère et de la société, est régie par la relation étroite entre les lois de la nature, la pensée et les lois socio-économiques de la société, et a souligné que

la noosphère (sphère de la raison) est le stade de développement de la biosphère où l'activité intelligente des personnes deviendra le principal facteur déterminant de son développement durable.

La noosphère est une nouvelle étape la plus élevée de la biosphère, associée à l'émergence et au développement de l'humanité qui, en apprenant les lois de la nature et en améliorant la technologie, devient une force majeure comparable en échelle aux forces géologiques et commence à avoir une influence décisive sur le cours des processus sur Terre, en le modifiant profondément grâce à votre travail. La formation et le développement de l'humanité se sont exprimés dans l'émergence de nouvelles formes d'échange de matière et d'énergie entre la société et la nature, dans l'impact toujours croissant de l'homme sur la biosphère. La noosphère viendra lorsque l’humanité, avec l’aide de la science, sera capable de contrôler de manière significative les processus naturels et sociaux. Par conséquent, la noosphère ne peut pas être considérée comme une coquille spéciale de la Terre.

La science de la gestion des relations entre la société humaine et la nature s'appelle la noogénie.

L'objectif principal de la noogénie est de planifier le présent pour le futur, et ses tâches principales sont la correction des violations dans les relations entre l'homme et la nature causées par les progrès de la technologie et la gestion consciente de l'évolution de la biosphère. Il faut mettre en place une utilisation planifiée et scientifiquement fondée des ressources naturelles, prévoyant la restauration dans le cycle des substances de ce qui a été perturbé par l'homme, par opposition à une attitude spontanée et prédatrice envers la nature, conduisant à une détérioration de l'environnement. Cela nécessite le développement durable d’une société qui réponde aux besoins du présent sans compromettre la capacité des générations futures à répondre aux leurs.

Actuellement, la planète s'est formée la biotechnosphère est une partie de la biosphère, radicalement transformée par l'homme en structures d'ingénierie et techniques : villes, usines et usines, carrières et mines, routes, barrages et réservoirs, etc.

LA BIOSPHÈRE ET L'HOMME

La biosphère pour les humains est habitat et source de ressources naturelles.

Ressources naturelles – objets naturels et les phénomènes qu'une personne utilise dans le processus de travail. Ils fournissent à une personne de la nourriture, des vêtements et un abri. Selon le degré d'épuisement, ils sont répartis en épuisable et inépuisable . Non renouvelable les ressources sont divisées en renouvelable Et non renouvelable . Les ressources non renouvelables comprennent les ressources qui ne sont pas régénérées (ou qui se renouvellent des centaines de fois plus lentement qu'elles ne sont consommées) : le pétrole, le charbon, les minerais métalliques et la plupart des minéraux. Ressources naturelles renouvelables - sol, flore et faune, minéraux (sel de table). Ces ressources sont constamment restaurées à partir de à des vitesses différentes: animaux - plusieurs années, forêts - 60-80 ans, sols qui ont perdu leur fertilité - depuis plusieurs milliers d'années. Le dépassement du taux de consommation par rapport au taux de reproduction entraîne la disparition complète de la ressource.

Inépuisable les ressources comprennent l’eau, le climat (air atmosphérique et énergie éolienne) et l’espace : rayonnement solaire, énergie des marées. Cependant, la pollution croissante de l’environnement nécessite la mise en œuvre de mesures environnementales pour préserver ces ressources.

La satisfaction des besoins humains est impensable sans l’exploitation des ressources naturelles.

Tous les types d’activités humaines dans la biosphère peuvent être regroupés en quatre formes.

1. Modifications de la structure de la surface terrestre(labourage des terres, drainage des plans d'eau, abattage des forêts, construction de canaux). L’humanité est en train de devenir une puissante force géologique. L'homme utilise 75 % des terres, 15 % des eaux des rivières, 20 hectares de forêts sont abattus chaque minute.

· Changements géologiques et géomorphologiques – intensification des processus de formation de ravins, apparition et fréquence des coulées de boue et des glissements de terrain.

· Modifications (paysagères) complexes – violation de l'intégrité et de la structure naturelle des paysages, caractère unique des monuments naturels, perte de terres productives, désertification.