Cycle géologique et biologique des substances dans la nature. Grand cycle géologique de la matière

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Grand cycle géologique attire les roches sédimentaires profondément dans la croûte terrestre, excluant définitivement les éléments qu'elles contiennent du système du cycle biologique. Pendant histoire géologique les roches sédimentaires transformées, de nouveau à la surface de la Terre, sont progressivement détruites par l'activité des organismes vivants, de l'eau et de l'air et sont à nouveau incluses dans le cycle de la biosphère.

Le Grand Cycle Géologique s’étend sur des centaines de milliers ou des millions d’années. La situation est la suivante : les roches sont sujettes à la destruction, à l'altération et sont finalement emportées par les courants d'eau dans l'océan mondial. Ici, ils se déposent au fond, formant des sédiments, et ne retournent que partiellement à la terre avec les organismes retirés de l'eau par les humains ou d'autres animaux.

La base du grand cycle géologique est le processus de transfert de composés minéraux d'un endroit à un autre à l'échelle planétaire sans la participation de matière vivante.

En plus du petit cycle, il existe un grand cycle géologique. Certaines substances pénètrent dans les couches profondes de la Terre (par sédiments de fond mers ou autres), où se produisent de lentes transformations avec formation de divers composés, minéraux et organiques. Les processus du cycle géologique sont soutenus principalement par l'énergie interne de la Terre, son noyau actif. La même énergie contribue à la libération de substances à la surface de la Terre. Ainsi, le grand cycle des substances est fermé. Cela prend des millions d'années.

Concernant la vitesse et l'intensité du grand cycle géologique des substances, il est actuellement impossible de fournir des données exactes ; il n'existe que des estimations approximatives, et encore uniquement pour la composante exogène du cycle général, c'est-à-dire sans tenir compte de l'afflux de matière du manteau vers la croûte terrestre.

Ce carbone participe au grand cycle géologique. Ce carbone, au cours du petit cycle biotique, maintient l’équilibre gazeux de la biosphère et de la vie en général.

Ruissellement solide de certaines rivières du monde.

La contribution des composants de la biosphère et de la technosphère au grand cycle géologique des substances terrestres est très importante : il y a une croissance constamment progressive des composants de la technosphère en raison de l'expansion du champ de l'activité de production humaine.

Depuis la surface de la terre le principal flux techno-géochimique est dirigé dans le cadre d'un vaste cycle géologique de substances pour 70 % des terres vers l'océan et pour 30 % vers des dépressions fermées sans drainage, mais toujours des altitudes les plus élevées vers les plus basses ; en raison de la Sous l'action des forces gravitationnelles, la matière de la croûte terrestre se différencie en conséquence des hautes altitudes aux basses altitudes, de la terre à l'océan. Les flux inverses (transport atmosphérique, activité humaine, mouvements tectoniques, volcanisme, migration d'organismes) compliquent dans une certaine mesure ce mouvement général descendant de la matière, créant des phénomènes locaux. cycles migratoires, mais ne le changez pas dans son ensemble.

La circulation de l'eau entre la terre et l'océan à travers l'atmosphère fait partie du grand cycle géologique. L'eau s'évapore de la surface des océans et est soit transportée vers la terre, où elle tombe sous forme de précipitations, qui retournent dans l'océan sous forme de ruissellement superficiel et souterrain, soit sous forme de précipitations à la surface de l'océan. Plus de 500 000 km3 d'eau participent chaque année au cycle de l'eau sur Terre. Le cycle de l'eau en général joue un rôle majeur dans la formation conditions naturelles sur 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.

Selon sa formulation, cycle biologique les substances se développent sur une partie de la trajectoire d’un vaste cycle géologique de substances dans la nature.

Le transfert de matière par les eaux superficielles et souterraines est le principal facteur de différenciation des terres en termes de volume. globe géochimiquement, mais pas le seul, et si l’on parle du grand cycle géologique des substances à la surface de la Terre dans son ensemble, alors les flux y jouent un rôle très important, en particulier les transports océaniques et atmosphériques.

Concernant la vitesse et l'intensité du grand cycle géologique des substances, il est actuellement impossible de fournir des données précises ; il n'existe que des estimations approximatives, et encore uniquement pour la composante exogène du cycle général, c'est-à-dire sans tenir compte de l'afflux de matière du manteau vers la croûte terrestre. La composante exogène du grand cycle géologique des substances est un processus constant de dénudation de la surface terrestre.

Le grand cycle géologique des minéraux et de l'eau se déroule sous l'influence d'un grand nombre de facteurs abiotiques.

4.3.1. La circulation des substances dans le grand cycle géologique.

Selon la théorie des plaques lithosphériques, l’enveloppe externe de la Terre est constituée de plusieurs très gros blocs (plaques). Cette théorie suppose l'existence de mouvements horizontaux de puissantes plaques lithosphériques, d'une épaisseur de 100 à 150 km.

De plus, au sein des dorsales médio-océaniques, se forme ce qu'on appelle la zone de rift. Les plaques lithosphériques se rompent et s'écartent avec formation d'une jeune croûte océanique

Ce phénomène est appelé propagation du fond océanique. Ainsi, un flux de substances minérales monte des profondeurs du manteau, formant de jeunes roches cristallines.

Contrairement à ce processus, dans la zone des fosses océaniques profondes, une partie est constamment poussée croûte continentaleà l’autre, qui s’accompagne de l’immersion de la partie périphérique de la plaque dans le manteau, c’est-à-dire qu’une partie de la matière solide de la croûte terrestre entre dans la composition du manteau terrestre. Le processus qui se produit dans les fosses océaniques profondes est appelé subduction de la croûte océanique.

Le cycle de l’eau sur la planète fonctionne en continu et partout. Forces motrices du cycle de l’eau – l'énérgie thermique et la gravité. Sous l'influence de la chaleur, l'évaporation, la condensation de la vapeur d'eau et d'autres processus se produisent, qui consomment environ 50 % de l'énergie provenant du soleil. Sous l'influence de la gravité - la chute des gouttes de pluie, le débit des rivières, le mouvement du sol et des eaux souterraines. Souvent, ces raisons agissent ensemble, par exemple, les processus thermiques et la gravité affectent la circulation atmosphérique de l'eau.

4.3.2. Cycle des éléments dans la nature inanimée

Elle s'effectue de deux manières : la migration de l'eau et de l'air. Les migrants aériens comprennent : l’oxygène, l’hydrogène, l’azote et l’iode.

Les migrants aquatiques comprennent les substances qui migrent principalement dans les sols, les eaux de surface et souterraines, principalement sous forme de molécules et d'ions : sodium, magnésium, aluminium, silicium, phosphore, soufre, chlore, potassium, manganèse, fer, cobalt, nickel, strontium. plomb, etc. Les migrants aériens font également partie des sels qui migrent dans l'eau. Cependant, la migration aérienne est plus typique pour eux.

4.4 Petit cycle (biologique)

La masse de matière vivante dans la biosphère est relativement petite. Si elle est répartie sur la surface de la Terre, le résultat est une couche de seulement 1,5 cm. Le tableau 4.1 compare certaines caractéristiques quantitatives de la biosphère et d'autres géosphères de la Terre. La biosphère, qui représente moins de 10 à 6 fois la masse des autres coquilles de la planète, possède une diversité incomparablement plus grande et renouvelle sa composition un million de fois plus rapidement.

Tableau 4.1

Comparaison de la biosphère avec d'autres géosphères de la Terre

*Matière vivante basée sur le poids vif

4.4.1. Fonctions de la biosphère

Grâce au biote de la biosphère, se produit la majeure partie des transformations chimiques sur la planète. D'où le jugement de V.I. Vernadsky sur l'énorme rôle géologique transformateur de la matière vivante. Au cours de l'évolution organique, les organismes vivants sont passés à travers eux-mêmes, à travers leurs organes, leurs tissus, leurs cellules, leur sang, toute l'atmosphère, tout le volume de l'océan mondial, la majeure partie de la masse de sol et une énorme masse de minéraux mille fois (par exemple différents cycles de 103 à 105 fois). Et non seulement ils l’ont manqué, mais ils ont également modifié l’environnement terrestre en fonction de leurs besoins.

Grâce à leur capacité à transformer l’énergie solaire en énergie de liaisons chimiques, les plantes et autres organismes remplissent un certain nombre de fonctions biogéochimiques fondamentales à l’échelle planétaire.

Fonction gaz. Les êtres vivants échangent constamment de l’oxygène et du dioxyde de carbone avec l’environnement grâce aux processus de photosynthèse et de respiration. Les plantes ont joué un rôle déterminant dans le passage d’un environnement réducteur à un environnement oxydant dans l’évolution géochimique de la planète et dans la formation de la composition gazeuse de l’atmosphère moderne. Les plantes contrôlent strictement les concentrations d’O2 et de CO2, optimales pour l’ensemble de tous les organismes vivants modernes.

Fonction de concentration. En faisant passer de grands volumes d'air et de solutions naturelles à travers leur corps, les organismes vivants effectuent une migration biogénique (mouvement substances chimiques) et concentration éléments chimiques et leurs connexions. Cela concerne la biosynthèse de la matière organique, la formation d'îlots coralliens, la construction de coquilles et de squelettes, l'apparition de strates sédimentaires calcaires, les gisements de certains minerais métalliques, l'accumulation de nodules de fer-manganèse au fond des océans, etc. les premiers stades de l’évolution biologique ont eu lieu dans le milieu aquatique. Les organismes ont appris à extraire les substances dont ils ont besoin d'une solution aqueuse diluée, augmentant ainsi leur concentration dans leur corps de manière répétée.

La fonction redox de la matière vivante est étroitement liée à la migration biogénique des éléments et à la concentration des substances. De nombreuses substances dans la nature sont stables et ne subissent pas d'oxydation dans des conditions normales. Par exemple, l'azote moléculaire est l'un des éléments biogènes les plus importants. Mais les cellules vivantes disposent de catalyseurs si puissants - les enzymes - qu'elles sont capables d'effectuer de nombreuses réactions redox des millions de fois plus rapidement qu'elles ne pourraient avoir lieu dans un environnement abiotique.

Fonction informationnelle de la matière vivante de la biosphère. C'est avec l'apparition des premiers êtres vivants primitifs qu'est apparue sur la planète une information active (« vivante »), qui différait de cette information « morte », qui est un simple reflet de la structure. Les organismes se sont révélés capables d'obtenir des informations en combinant un flux d'énergie avec une structure moléculaire active jouant le rôle d'un programme. La capacité de percevoir, de stocker et de traiter des informations moléculaires a connu une évolution rapide dans la nature et est devenue le facteur de formation du système écologique le plus important. L'offre totale d'informations génétiques du biote est estimée à 1015 bits. La puissance totale du flux d'informations moléculaires associé au métabolisme et à l'énergie dans toutes les cellules du biote global atteint 1036 bit/s (Gorshkov et al., 1996).

4.4.2. Composantes du cycle biologique.

Le cycle biologique se déroule entre tous les composants de la biosphère (c'est-à-dire entre le sol, l'air, l'eau, les animaux, les micro-organismes, etc.). Cela se produit avec la participation obligatoire d'organismes vivants.

Le rayonnement solaire atteignant la biosphère transporte une énergie d'environ 2,5 * 1024 J par an. Seulement 0,3% de celui-ci est directement converti au cours du processus de photosynthèse en énergie des liaisons chimiques des substances organiques, c'est-à-dire est impliqué dans le cycle biologique. Et 0,1 à 0,2 % de l'énergie solaire tombant sur Terre s'avère être contenue dans l'énergie pure. production primaire. Le sort ultérieur de cette énergie est associé au transfert de matière organique alimentaire à travers des cascades de chaînes trophiques.

Le cycle biologique peut être conditionnellement divisé en composants interconnectés : le cycle des substances et le cycle énergétique.

4.4.3. Cycle énergétique. Transformation de l'énergie dans la biosphère

Un écosystème peut être décrit comme un ensemble d’organismes vivants qui échangent continuellement de l’énergie, de la matière et des informations. L'énergie peut être définie comme la capacité à effectuer un travail. Les propriétés de l'énergie, y compris le mouvement de l'énergie dans les écosystèmes, sont décrites par les lois de la thermodynamique.

La première loi de la thermodynamique ou loi de conservation de l’énergie stipule que l’énergie ne disparaît pas ou n’est pas créée à nouveau, elle passe seulement d’une forme à une autre.

La deuxième loi de la thermodynamique stipule que dans un système fermé, l’entropie ne peut qu’augmenter. En ce qui concerne l'énergie dans les écosystèmes, la formulation suivante est pratique : les processus associés à la transformation de l'énergie ne peuvent se produire spontanément qu'à condition que l'énergie passe d'une forme concentrée à une forme dispersée, c'est-à-dire qu'elle se dégrade. L'entropie est la mesure de la quantité d'énergie qui devient indisponible pour l'utilisation, ou autrement la mesure du changement d'ordre qui se produit lors de la dégradation de l'énergie. Plus l’ordre du système est élevé, plus son entropie est faible.

Autrement dit, la matière vivante reçoit et transforme l'énergie de l'espace et du soleil en énergie des processus terrestres (chimiques, mécaniques, thermiques, électriques). Implique cette énergie et cette matière inorganique dans le cycle continu des substances de la biosphère. Le flux d'énergie dans la biosphère a une seule direction : du Soleil à travers les plantes (autotrophes) jusqu'aux animaux (hétérotrophes). Les écosystèmes naturels intacts dans un état stable avec des indicateurs environnementaux critiques constants (homéostasie) sont les systèmes les plus ordonnés et se caractérisent par l'entropie la plus faible.

4.4.4. Cycle des substances dans la nature vivante

La formation de la matière vivante et sa décomposition sont les deux faces d'un même processus, appelé cycle biologique des éléments chimiques. La vie est le cycle des éléments chimiques entre les organismes et l'environnement.

La raison du cycle est le nombre limité d'éléments à partir desquels les corps des organismes sont construits. Chaque organisme extrait de environnement substances nécessaires à la vie et restitue celles non utilisées. Où:

Certains organismes consomment des minéraux directement de l’environnement ;

d'autres utilisent en priorité des produits transformés et isolés ;

troisième - deuxième, etc., jusqu'à ce que les substances reviennent dans l'environnement dans leur état d'origine.

Dans la biosphère, il existe un besoin évident de coexistence de divers organismes capables d’utiliser les déchets des uns et des autres. Nous assistons à une production biologique pratiquement sans déchets.

La circulation des substances dans les organismes vivants peut être grossièrement réduite à quatre processus :

1. Photosynthèse. Grâce à la photosynthèse, les plantes absorbent et accumulent l'énergie solaire et synthétisent matière organique substances organiques - produits biologiques primaires - et oxygène. Les produits biologiques primaires sont très divers : ils contiennent des glucides (glucose), de l'amidon, des fibres, des protéines et des graisses.

Le schéma de photosynthèse du glucide le plus simple (glucose) est le suivant :

Ce processus se produit uniquement pendant la journée et s'accompagne d'une augmentation de la masse végétale.

Sur Terre, environ 100 milliards de tonnes de matière organique sont formées chaque année à la suite de la photosynthèse, environ 200 milliards de tonnes de dioxyde de carbone sont absorbées et environ 145 milliards de tonnes d'oxygène sont libérées.

La photosynthèse joue un rôle déterminant pour assurer l'existence de la vie sur Terre. Son importance mondiale s'explique par le fait que la photosynthèse est le seul processus au cours duquel l'énergie d'un processus thermodynamique, conformément au principe minimaliste, n'est pas dissipée, mais s'accumule.

En synthétisant les acides aminés nécessaires à la construction des protéines, les plantes peuvent exister de manière relativement indépendante des autres organismes vivants. Cela manifeste l'autotrophie des plantes (indépendance nutritionnelle). Dans le même temps, la masse verte des plantes et l'oxygène produit lors de la photosynthèse constituent la base du soutien vital du prochain groupe d'organismes vivants - animaux, micro-organismes. Cela démontre l'hétérotrophie de ce groupe d'organismes.

2. Respiration. Le processus est l’inverse de la photosynthèse. Présent dans toutes les cellules vivantes. Lors de la respiration, la matière organique est oxydée par l'oxygène, entraînant la formation de dioxyde de carbone, d'eau et la libération d'énergie.

3. Connexions alimentaires (trophiques) entre organismes autotrophes et hétérotrophes. Dans ce cas, l'énergie et la matière sont transférées le long des maillons de la chaîne alimentaire, dont nous avons parlé plus en détail précédemment.

4. Le processus de transpiration. L'un des processus les plus importants du cycle biologique.

On peut le décrire schématiquement comme suit. Les plantes absorbent l’humidité du sol par leurs racines. En même temps, ils reçoivent des minéraux dissous dans l'eau, qui sont absorbés et l'humidité s'évapore plus ou moins intensément selon les conditions environnementales.

4.4.5. Cycles biogéochimiques

Les cycles géologiques et biologiques sont liés - ils existent comme un processus unique, donnant lieu à la circulation de substances, appelés cycles biogéochimiques (BGCC). Ce cycle d'éléments est dû à la synthèse et à la décomposition des substances organiques dans l'écosystème (Fig. 4.1) Tous les éléments de la biosphère ne sont pas impliqués dans le BGCC, mais uniquement les éléments biogéniques. Les organismes vivants en sont composés ; ces éléments entrent dans de nombreuses réactions et participent aux processus se déroulant dans les organismes vivants. En pourcentage, la masse totale de matière vivante dans la biosphère est constituée des principaux éléments biogéniques suivants : oxygène - 70 %, carbone - 18 %, hydrogène - 10,5 %, calcium - 0,5 %, potassium - 0,3 %, azote - 0, 3% (l'oxygène, l'hydrogène, l'azote, le carbone sont présents dans tous les paysages et constituent la base des organismes vivants - 98%).

L'essence de la migration biogénique des éléments chimiques.

Ainsi, dans la biosphère, il existe un cycle biogénique de substances (c'est-à-dire un cycle provoqué par l'activité vitale des organismes) et un flux d'énergie unidirectionnel. La migration biogénique des éléments chimiques est déterminée principalement par deux processus opposés :

1. Formation de matière vivante à partir d’éléments environnementaux grâce à l’énergie solaire.

2. Destruction de substances organiques, accompagnée de libération d'énergie. Dans ce cas, des éléments de substances minérales pénètrent à plusieurs reprises dans les organismes vivants, devenant ainsi une partie de composés organiques complexes, de formes, puis, lorsque ces derniers sont détruits, ils acquièrent à nouveau une forme minérale.

Certains éléments font partie des organismes vivants, mais ne sont pas classés comme biogéniques. Ces éléments sont classés selon leur fraction pondérale dans les organismes :

Macroéléments – constituant au moins 10 à 2 % de la masse ;

Microéléments – composants de 9*10-3 à 1*10-3% de la masse ;

Ultramicroéléments – moins de 9*10-6 % de la masse ;

Pour déterminer la place des nutriments parmi les autres éléments chimiques de la biosphère, considérons la classification acceptée en écologie. Selon leur activité dans les processus se produisant dans la biosphère, tous les éléments chimiques sont divisés en 6 groupes :

Gaz rares - hélium, néon, argon, krypton, xénon. Les gaz inertes ne font pas partie des organismes vivants.

Métaux nobles - ruthénium, radium, palladium, osmium, iridium, platine, or. Ces métaux ne créent presque aucun composé la croûte terrestre.

Éléments cycliques ou biogéniques (ils sont aussi appelés migrateurs). Ce groupe d'éléments biogéniques dans la croûte terrestre représente 99,7 % de la masse totale et les 5 groupes restants - 0,3 %. Ainsi, la majeure partie des éléments sont des migrants qui circulent dans l'enveloppe géographique, et la part des éléments inertes est très faible.

Éléments dispersés caractérisés par une prédominance d'atomes libres. Ils entrent dans des réactions chimiques, mais leurs composés sont rarement trouvés dans la croûte terrestre. Ils sont divisés en deux sous-groupes. Les premiers - rubidium, césium, niobium, tantale - créent des composés dans les profondeurs de la croûte terrestre et leurs minéraux sont détruits à la surface. Les seconds - l'iode, le brome - ne réagissent qu'en surface.

Éléments radioactifs - polonium, radon, radium, uranium, neptunium, plutonium.

Éléments de terres rares - yttrium, samarium, europium, thulium, etc.

Tout au long de l'année, les cycles biochimiques mettent en mouvement environ 480 milliards de tonnes de matière.

DANS ET. Vernadsky a formulé trois principes biogéochimiques qui expliquent l'essence de la migration biogénique des éléments chimiques :

La migration biogénique des éléments chimiques dans la biosphère s'efforce toujours d'atteindre sa manifestation maximale.

L’évolution des espèces au cours des temps géologiques, conduisant à la création de formes de vie stables, va dans une direction qui favorise la migration biogénique des atomes.

La matière vivante est en échange chimique continu avec son environnement, facteur de reconstitution et d'entretien de la biosphère.

Considérons comment certains de ces éléments se déplacent dans la biosphère.

Cycle du carbone. Le principal acteur du cycle biotique est le carbone en tant que base des substances organiques. Le cycle du carbone se produit principalement entre la matière vivante et le dioxyde de carbone atmosphérique par le processus de photosynthèse. Il est obtenu à partir de la nourriture des herbivores et des herbivores par les carnivores. Durant la respiration et la décomposition, le dioxyde de carbone est partiellement renvoyé dans l'atmosphère ; ce retour se produit lorsque les minéraux organiques sont brûlés.

En l’absence de retour de carbone dans l’atmosphère, il serait consommé par les plantes vertes d’ici 7 à 8 ans. Le taux de renouvellement du carbone biologique par la photosynthèse est de 300 ans. Les océans jouent un rôle important dans la régulation de la teneur en CO2 de l'atmosphère. Si la teneur en CO2 augmente dans l’atmosphère, une partie se dissout dans l’eau et réagit avec le carbonate de calcium.

Cycle de l'oxygène.

L’oxygène a une activité chimique élevée et se combine avec presque tous les éléments de la croûte terrestre. On le trouve principalement sous forme de composés. Un atome sur quatre dans la matière vivante est un atome d’oxygène. Presque tout l’oxygène moléculaire présent dans l’atmosphère provient et est maintenu à un niveau constant grâce à l’activité des plantes vertes. L'oxygène atmosphérique, lié lors de la respiration et libéré lors de la photosynthèse, traverse tous les organismes vivants en 200 ans.

Cycle de l'azote. L'azote fait partie intégrante de toutes les protéines. Le rapport général entre l’azote fixe, élément constitutif de la matière organique, et l’azote dans la nature est de 1 : 100 000. L'énergie de liaison chimique dans une molécule d'azote est très élevée. Par conséquent, la combinaison de l'azote avec d'autres éléments - oxygène, hydrogène (processus de fixation de l'azote) - nécessite beaucoup d'énergie. La fixation industrielle de l’azote se produit en présence de catalyseurs à une température de -500°C et une pression de –300 atm.

Comme vous le savez, l'atmosphère contient plus de 78 % d'azote moléculaire, mais dans cet état, il n'est pas disponible pour les plantes vertes. Pour leur nutrition, les plantes ne peuvent utiliser que des sels d'acides nitrique et nitreux. Comment se forment ces sels ? En voici quelques uns:

Dans la biosphère, la fixation de l'azote est réalisée par plusieurs groupes de bactéries anaérobies et de cyanobactéries à température et pression normales en raison de la haute efficacité de la biocatalyse. On estime que les bactéries transforment chaque année environ 1 milliard de tonnes d’azote sous forme liée (le volume mondial de fixation industrielle est d’environ 90 millions de tonnes).

Les bactéries fixatrices d’azote du sol sont capables d’absorber l’azote moléculaire de l’air. Ils enrichissent le sol en composés azotés, leur importance est donc extrêmement grande.

À la suite de la décomposition de composés azotés de substances organiques d'origine végétale et animale.

Sous l’influence des bactéries, l’azote se transforme en nitrates, nitrites et composés d’ammonium. Chez les plantes, les composés azotés participent à la synthèse des composés protéiques, qui sont transmis d'organisme à organisme dans les chaînes alimentaires.

Cycle du phosphore. Un autre élément important sans lequel la synthèse des protéines est impossible est le phosphore. Les principales sources sont les roches ignées (apatites) et les roches sédimentaires (phosphorites).

Le phosphore inorganique est impliqué dans le cycle en raison des processus naturels de lessivage. Le phosphore est absorbé par les organismes vivants qui, avec sa participation, synthétisent un certain nombre de composés organiques et les transfèrent à différents niveaux trophiques.

Après avoir parcouru les chaînes trophiques, les phosphates organiques sont décomposés par les microbes et convertis en phosphates minéraux disponibles pour les plantes vertes.

Dans le processus de circulation biologique, qui assure le mouvement de la matière et de l'énergie, il n'y a pas de place pour l'accumulation de déchets. Les déchets (c'est-à-dire les déchets) de chaque forme de vie constituent un terrain fertile pour d'autres organismes.

Théoriquement, un équilibre devrait toujours être maintenu dans la biosphère entre la production de biomasse et sa décomposition. Cependant, à certaines périodes géologiques, l'équilibre du cycle biologique a été perturbé lorsque, en raison de certaines conditions naturelles et de catastrophes, tous les produits biologiques n'ont pas été assimilés et transformés. Dans ces cas, des produits biologiques excédentaires se sont formés, qui ont été conservés et déposés dans la croûte terrestre, sous la colonne d'eau, les sédiments et se sont retrouvés dans la zone. pergélisol. C'est ainsi que les dépôts se sont formés charbon, pétrole, gaz, calcaire. A noter qu’ils ne polluent pas la biosphère. L'énergie du Soleil, accumulée lors du processus de photosynthèse, est concentrée en minéraux organiques. Désormais, en brûlant des minéraux combustibles organiques, une personne libère cette énergie.

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. La scène est associée à l'existence 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 la relation 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, végétation et le monde animal, matières premières minérales (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.

Toutes les substances sur notre planète sont en train de circuler. L'énergie solaire provoque deux cycles de substances sur Terre, grande ou biosphère (englobant la totalité de la biosphère) et petite ou biologique (au sein des écosystèmes).

Le cycle des substances de la biosphère a été précédé d'un cycle géologique associé à la formation et à la destruction rochers et le mouvement ultérieur des produits de destruction - débris et éléments chimiques. Les propriétés thermiques de la surface des terres et de l'eau ont joué et continuent de jouer un rôle important dans ces processus : absorption dans la réflexion rayons de soleil, conductivité thermique en capacité thermique. L'eau absorbe davantage d'énergie solaire et la surface des terres situées aux mêmes latitudes se réchauffe davantage. Le régime hydrothermal instable de la surface de la Terre, ainsi que le système de circulation atmosphérique planétaire, ont déterminé la circulation géologique des substances qui, au stade initial du développement de la Terre, ainsi que des processus endogènes, étaient associées à la formation de continents, d'océans et modernes. géosphères. Sa manifestation géologique est également indiquée par son transfert masses d'air produits d'altération et eau - composés minéraux qui y sont dissous. Avec la formation de la biosphère, les déchets des organismes ont été inclus dans le grand cycle. Le cycle géologique, sans cesser d'exister, a acquis de nouvelles caractéristiques : il est l'étape initiale du mouvement de la matière dans la biosphère. C'est lui qui fournit aux organismes vivants des nutriments et détermine en grande partie les conditions de leur existence.

Le grand cycle des substances dans la biosphère est caractérisé par deux les points importants:

Réalisé tout au long du développement géologique de la Terre ;

Il s'agit d'un processus planétaire moderne qui joue un rôle majeur dans la poursuite du développement biosphère (Radkevitch, 1983).

Sur scène moderne Au cours du développement de l’humanité, en raison 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. La zone a été la plus contaminée latitudes tempérées Hémisphère nord.

Le petit cycle ou cycle biologique des substances se déroule sur fond d'un grand cycle géologique, couvrant la biosphère dans son ensemble. Elle se produit au sein des écosystèmes, mais n'est pas fermée, ce qui est associé à l'entrée de matière et d'énergie dans l'écosystème depuis l'extérieur et à la libération d'une partie d'entre elles dans le cycle de la biosphère. Pour cette raison, on ne parle parfois pas du cycle biologique, mais de l'échange d'énergie dans les écosystèmes et les organismes individuels.

Plantes, animaux et couverture du sol sur terre forment un complexe système mondial, qui forme la biomasse, lie et redistribue l'énergie solaire, le carbone atmosphérique, l'humidité, l'oxygène, l'hydrogène, l'azote, le phosphore, le soufre, le calcium et d'autres éléments impliqués dans la vie des organismes. Les plantes, les animaux et les micro-organismes du milieu aquatique forment un autre système planétaire qui remplit la même fonction de liaison entre l'énergie solaire et le cycle biologique des substances.

L'essence du cycle biologique réside dans l'apparition de deux processus opposés mais interconnectés : la création de matière organique et sa destruction. Première étape l'émergence de matière organique est due à la photosynthèse des plantes vertes, c'est-à-dire la formation de cette substance à partir de dioxyde de carbone, d'eau et de composés minéraux en utilisant l'énergie radiante du Soleil. Les plantes extraient du sol le soufre, le phosphore, le calcium, le potassium, le magnésium, le manganèse, le silicium, l'aluminium, le cuivre, le zinc et d'autres éléments sous forme dissoute. Les animaux herbivores absorbent déjà des composés de ces éléments sous forme d’aliments d’origine végétale. Les prédateurs se nourrissent d'herbivores et consomment davantage de nourriture composition complexe, y compris les protéines, les graisses, les acides aminés, etc. Dans le processus de destruction par des micro-organismes de la matière organique des plantes mortes et des restes d'animaux dans le sol et Environnement aquatique Des composés minéraux simples arrivent, disponibles pour l'assimilation par les plantes, et le prochain cycle du cycle biologique commence.

Contrairement au grand gyre, le petit gyre a une durée différente : on distingue les petits gyres saisonniers, annuels, pérennes et séculaires. Lors de l'étude du cycle biologique des substances, l'attention principale est portée au rythme annuel, déterminé par la dynamique annuelle du développement de la végétation.

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. C'est l'énergie libérée à la suite de la désintégration radioactive, réactions chimiques 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 sujettes à la destruction et aux produits d'altération (y compris ceux solubles dans l'eau) nutriments) sont transportés par les courants d'eau vers l'océan mondial, où ils forment des strates marines et ne retournent que partiellement sur terre avec les précipitations. 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.

À grand tourbillon 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. Après un refroidissement suffisant, les nuages ​​libèrent de l'eau sous forme diverses précipitations retombant 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 que revenir au cycle en conséquence 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 se déroule plus intensément dans les zones humides forêts tropicales 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.

Si la molécule de CO2 d'origine est dissoute dans 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 plantes marines ou des animaux, puis il s'accumulera progressivement sous forme de sédiments au fond des océans et finira par se transformer en calcaire ou à partir des sédiments passera 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 abondant sur Terre (l'eau de mer contient 85,82 % d'oxygène, air atmosphérique 23,15%, dans 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 masse principale d'oxygène est dans un état lié (la quantité d'oxygène moléculaire dans l'atmosphère ne représente que 0,01 % de contenu général oxygène dans la croûte terrestre).

Puisque l'oxygène se trouve dans de nombreux composants chimiques, sa circulation 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. Pas un montant significatif l'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 est inclus dans l'atmosphère terrestre sous 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.

D'un autre côté, contenu accru le phosphore dans les voies navigables de son transport provoque une augmentation rapide de la biomasse plantes aquatiques, « l’épanouissement 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 à activité économique de 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.