入り口物質の地質循環は相互作用によって決まります。 生物学的および地質学的サイクル
地球の生物圏は、物質の循環とエネルギーの流れによって、ある意味特徴付けられています。 物質の循環とは、地球の生物圏の一部である大気圏、水圏、岩石圏などで起こるプロセスに物質が繰り返し関与することです。 物質の循環は、太陽からの外部エネルギーと地球からの内部エネルギーの継続的な供給によって起こります。
駆動力に応じて、物質の循環の中で、地質学的循環 (大循環)、生物学的循環 (生物地球化学、小循環)、および人為的循環を区別できます。
地質循環（生物圏における物質の大きな循環）
このサイクルは、生物圏と地球のより深い地平線の間で物質を再分配します。 このプロセスの背後にある原動力は、外因性および内因性の地質学的プロセスです。 内因性プロセスは、地球の内部エネルギーの影響下で発生します。 これは、放射性崩壊、鉱物形成の化学反応などの結果として放出されるエネルギーです。内因性プロセスには、たとえば、地殻変動や地震が含まれます。 これらのプロセスは、大きな地形（大陸、海洋盆地、山地、平原）の形成につながります。 外因性プロセスは、太陽からの外部エネルギーの影響下で発生します。 これらには、大気、水圏、生物および人間の地質活動が含まれます。 これらのプロセスにより、大きなレリーフ形状が滑らかになります ( 川の谷、丘、渓谷など）。
地質サイクルは何百万年も続き、岩石が破壊され、風化生成物（水溶性のものを含む）が生成されるという事実で構成されています。 栄養素）は水流によって世界の海洋に運ばれ、そこで海洋地層を形成し、降水によって部分的にのみ陸地に戻ります。 地殻構造の変化、大陸の沈下と海底の隆起のプロセス、長期間にわたる海と海洋の移動は、これらの地層が陸地に戻り、そのプロセスが再び始まるという事実につながります。 この物質循環のシンボルは円ではなく螺旋です。 新しいサイクルは古いサイクルを正確に繰り返すのではなく、何か新しいものを導入します。
大循環とは、陸地と海洋から大気を経由する水の循環（水循環）を指します（図3.2）。
一般に水循環は地層の形成に大きな役割を果たしています。 自然条件私たちの地球上で。 植物による水の蒸散と生物地球化学サイクルにおける吸収を考慮すると、地球上の水の供給量はすべて分解され、200万年以内に回復します。
米。 3. 2. 生物圏における水循環。
水循環では、水圏のすべての部分が相互に接続されています。 年間 50 万 km3 以上の水がそれに参加します。 このプロセスの原動力は太陽エネルギーです。 太陽エネルギーの影響下で、水分子は加熱され、ガスの形で大気中に上昇します（毎日 875 km3 の淡水が蒸発します）。 上昇するにつれて、徐々に冷えて凝縮し、雲を形成します。 十分に冷却された後、雲は水を放出します。 さまざまな降水量海に戻っていきます。 地面に到達した水は、土壌に浸み込む (浸透) か、土壌を通って流れる (地表流出) という 2 つの異なる経路をたどることができます。 地表では、水は小川や川に流れ込み、蒸発が起こる海やその他の場所に向かっていきます。 土壌に吸収された水は、その上層（地平線）に保持され、蒸散によって大気中に戻されます。 このような水を毛細管といいます。 重力によって運ばれ、毛穴や亀裂から浸透する水を重力といいます。 重力水は、岩や緻密な粘土の侵入不可能な層に浸透し、すべての空隙を満たします。 このような埋蔵量を地下水と呼び、その上限は地下水位となります。 地下水がゆっくりと流れる地下の岩石層は帯水層と呼ばれます。 重力の影響下で、地下水は「出口」を見つけるまで帯水層を通って移動します（たとえば、湖、川、池に水を供給する天然の泉を形成します。つまり、それらは湖、川、池の一部になります） 地表水）。 したがって、水循環には、地表流出、蒸発蒸散、地下水という 3 つの主要な「ループ」が含まれます。 地球上の水循環には年間 50 万 km3 以上の水が関与しており、自然条件の形成に大きな役割を果たしています。
生物（生物地球化学）サイクル
（生物圏における物質の小さな循環）
原動力 生物学的サイクル物質は生物の活動です。 それはより大きなものの一部であり、生態系レベルで生物圏内で発生します。 この小さなサイクルは、栄養素、水、炭素が植物の物質（独立栄養）に蓄積し、植物とこれらの植物を食べる他の生物（通常は動物 - 従属栄養）の両方の体の構築と生命過程に費やされるという事実で構成されています。 破壊者や微生物（細菌、真菌、虫）の影響下での有機物の崩壊生成物は、再びミネラル成分に分解されます。 これら 無機物質独立栄養生物による有機物質の合成に再利用できます。
生物地球化学サイクルでは、準備金（生物に関連しない物質）と交換基金（生物とその直近の環境の間の直接交換によって関連する物質）が区別されます。
予備基金の場所に応じて、生物地球化学サイクルは 2 つのタイプに分けられます。
大気および水圏の物質の予備資金を備えたガス型サイクル (炭素、酸素、窒素のサイクル)。
地殻内の埋蔵量による堆積サイクル（リン、カルシウム、鉄などのサイクル）。
多額の為替資金を有するガス型循環の方がより完璧である。 さらに、迅速な自己調整が可能です。 物質の大部分が埋蔵量に含まれるため、堆積サイクルは完全ではなく、より不活性になります。 地球の地殻生物がアクセスできない形で。 このようなサイクルはさまざまな影響によって簡単に乱れ、交換された物質の一部がサイクルから外れてしまいます。 結果としてサイクルに戻るしかない 地質学的プロセスまたは生物による抽出によって。
生物学的サイクルの強さは温度によって決まります 環境そして水の量。 たとえば、湿気の多い環境では生物学的サイクルがより激しく進行します。 熱帯林ツンドラの中よりも。
基本的な栄養素と要素のサイクル
炭素循環
全て 地上の生活カーボンベース。 生物の各分子は炭素骨格に基づいて構築されています。 炭素原子は生物圏のある部分から別の部分に絶えず移動します (図 3.3.)。
米。 3. 3. 炭素循環。
地球上の炭素の主な埋蔵量は、大気中に含まれ、海洋に溶解している二酸化炭素 (CO2) の形です。 植物は光合成中に二酸化炭素分子を吸収します。 その結果、炭素原子はさまざまな有機化合物に変換され、植物の構造に組み込まれます。 以下にいくつかのオプションがあります。
· 植物中に炭素が残る ® 植物分子は分解者（死んだ有機物を食べると同時に単純な無機化合物に分解する生物）の餌として利用される ® 炭素は CO2 として大気中に戻る。
· 植物は草食動物に食べられます ® 炭素は動物の呼吸中および死後の分解中に大気中に戻ります。 あるいは、草食動物が肉食動物に食べられ、炭素は再び同じように大気中に戻ります。
· 植物は死後、化石燃料 (石炭など) に変わります。炭素は、燃料の使用、火山の噴火、その他の地熱プロセスの後、大気中に戻ります。
元の CO2 分子が溶解している場合 海水いくつかのオプションも可能です。二酸化炭素は単純に大気に戻ることができます（世界の海洋と大気の間のこの種の相互ガス交換は常に発生します）。 炭素は組織に侵入する可能性があります 海洋植物その後、海底に堆積物の形で徐々に蓄積し、最終的には石灰岩に変化するか、堆積物から再び海水に流れ込みます。
CO2 の循環速度は約 300 年です。
炭素循環への人間の介入（石炭、石油、ガスの燃焼、除湿）は、大気中の CO2 含有量の増加と開発につながります。 温室効果。 炭素循環に関する研究は現在、 重要な任務大気を研究する科学者向け。
酸素サイクル
酸素は地球上で最も豊富な元素です (海水には 85.82% の酸素が含まれています) 大気 23.15%、地殻内では47.2%)。 酸素化合物は生命（遊び）を維持するために不可欠です。 重要な役割代謝プロセスと呼吸において、生物が「構築」されるタンパク質、脂肪、炭水化物の一部です）。 酸素の主な質量は結合状態にあります（大気中の分子状酸素の量はわずか 0.01% です） 一般的な内容地殻中の酸素）。
酸素は多くの体内に存在するため、 化合物、生物圏におけるその循環は非常に複雑であり、主に大気と生物の間で発生します。 大気中の酸素濃度は光合成によって維持され、その結果、緑色植物は太陽光の影響を受けて二酸化炭素と水を炭水化物と酸素に変換します。 酸素の大部分は陸上植物によって生成され、残りのほぼ 3/4 は世界の海洋の光合成生物によって生成されます。 強力なソース酸素は、太陽の紫外線の影響下で大気の上層にある水蒸気の光化学分解でもあります。 さらに、酸素は最も重要なサイクルを完了し、水の組成に入ります。 ない かなりの量酸素は紫外線の影響下でオゾンから生成されます。
酸素循環の速度は約2000年です。
森林伐採、土壌侵食、さまざまな地表採掘により、光合成の総量が減少し、広範囲にわたる酸素循環が減少します。 さらに、同化の結果として生成される酸素の 25% は、産業用および家庭用として毎年消費されます。
窒素循環
生物地球化学的窒素サイクルは、これまでのサイクルと同様に、生物圏のすべての領域をカバーします (図 3.4)。
米。 3. 4. 窒素サイクル。
窒素が含まれているのは、 地球の大気結合していない状態で、二原子分子の形で存在します（大気の総体積の約 78% は窒素です）。 また、窒素は植物や動物の体内にタンパク質の形で含まれています。 植物は土壌から硝酸塩を吸収してタンパク質を合成します。 そこでは、大気中の窒素と土壌中に存在するアンモニウム化合物から硝酸塩が形成されます。 大気中の窒素を植物や動物が利用できる形に変換するプロセスは、窒素固定と呼ばれます。 有機物が腐ると、それに含まれる窒素の大部分がアンモニアに変換され、土壌に生息する硝化細菌の影響で酸化されてアンモニアになります。 硝酸。 この酸は、土壌中の炭酸塩（たとえば、炭酸カルシウム CaCO3）と反応して硝酸塩を形成します。 窒素の一部は、崩壊中に常に自由な形で大気中に放出されます。 さらに、木材を燃やすとき、有機物質の燃焼中に遊離窒素が放出されます。 石炭、泥炭。 さらに、空気へのアクセスが不十分な場合、硝酸塩から酸素を奪い、硝酸塩を破壊し、遊離窒素を放出する細菌が存在します。 脱窒細菌の活動により、緑色植物が利用できる形態の窒素（硝酸塩）の一部がアクセスできなくなる（遊離窒素）という事実が生じます。 したがって、死んだ植物の一部であった窒素のすべてが土壌に戻るわけではありません（一部は遊離形で徐々に放出されます）。
窒素の損失を補うプロセスには、まず大気中で発生する放電が含まれ、常に一定量の窒素酸化物が生成されます（窒素酸化物は水とともに硝酸を生成し、土壌中で硝酸塩に変わります）。 土壌窒素化合物のもう一つの補給源は、大気中の窒素を同化することができる、いわゆるアゾトバクテリアの生命活動です。 これらの細菌の一部はマメ科の植物の根に定着し、特徴的な腫れ、つまり結節の形成を引き起こします。 根粒細菌は大気中の窒素を同化して窒素化合物に加工し、植物は窒素化合物をタンパク質やその他の複雑な物質に変換します。 したがって、自然界では継続的な窒素循環が発生します。
毎年、植物（穀物など）の最もタンパク質が豊富な部分が収穫とともに畑から除去されるため、土壌はその損失を補うために肥料の散布を「必要」とします。 必須の要素植物の栄養。 主に硝酸カルシウム(Ca(NO)2)、硝酸アンモニウム(NH4NO3)、硝酸ナトリウム(NANO3)、硝酸カリウム(KNO3)が使用されます。 また、化学肥料の代わりにマメ科の植物そのものを使用しています。 土壌に施用される人工窒素肥料の量が多すぎると、硝酸塩が人体に入り、毒性が高く、がんを引き起こす可能性がある亜硝酸塩に変換される可能性があります。
リンサイクル
リンの大部分が含まれているのは、 岩ああ、過去の地質時代に形成されました。 地殻中のリン含有量は8〜10〜20％（重量）の範囲であり、ここでは天然のリン酸塩であるアパタイトと亜リン酸塩の一部である鉱物（フッ素アパタイト、クロラパタイトなど）の形で存在します。 リンは、岩石の風化の結果として生物地球化学サイクルに入る可能性があります。 侵食プロセスにより、リンは鉱物アパタイトの形で海に運ばれます。 生物はリンの変換において重要な役割を果たします。 生物は土壌や水溶液からリンを抽出します。 その後、リンは食物連鎖を通じて移動します。 生物の死により、リンは土壌や海泥に戻り、海洋リン鉱床の形で濃縮され、リンが豊富な岩石が生成される条件が作り出されます（図3.5.）。
米。 3.5. 生物圏におけるリン循環 (P. Duvigneau、M. Tang、1973 年による; 修正あり)。
リン肥料が誤って使用されると、水食や風食（水や風の影響による破壊）の結果、大量のリンが土壌から除去されます。 一方で、これはリン肥料の過剰消費とリン含有鉱石の埋蔵量の枯渇につながります。
反対側では、 コンテンツの増加リンあたり 水路その移動によりバイオマスが急速に増加する 水生植物、「水域の開花」とその富栄養化（栄養素の富化）。
植物は土壌からかなりの量のリンを除去し、土壌中のリン化合物の自然な補充は非常にわずかであるため、土壌へのリン肥料の施用は生産性を高めるための最も重要な手段の 1 つです。 世界中で年間約 1 億 2,500 万トンのリン鉱石が採掘されています。 その大部分はリン酸肥料の生産に費やされます。
硫黄サイクル
硫黄の主な埋蔵量は堆積物、土壌、大気中に存在します。 主な役割生物地球化学サイクルにおける硫黄の関与は微生物に属します。 それらの中には還元剤であるものもあれば、酸化剤であるものもあります (図 3.6.)。
米。 3. 6. 硫黄サイクル (Yu. Odum、1975 による)。
自然の中で 大量の鉄、鉛、亜鉛などのさまざまな硫化物が知られています。硫化硫黄は生物圏で酸化されて硫酸硫黄になります。 硫酸塩は植物に吸収されます。 生物体内では、硫黄はアミノ酸やタンパク質の一部であり、植物ではさらに、 エッセンシャルオイル等 土壌や海泥中の生物の残骸の破壊プロセスには、硫黄の複雑な変化が伴います（微生物は多数の中間硫黄化合物を生成します）。 生物の死後、硫黄の一部は微生物によって土壌中で H2S に還元され、残りの部分は酸化されて硫酸塩となり、再びサイクルに組み込まれます。 大気中に生じた硫化水素は酸化され、沈殿して土に戻ります。 さらに、硫化水素は「二次」硫化物を再形成する可能性があり、硫酸塩硫黄は石膏を生成します。 次に、硫化物と石膏は再び破壊され、硫黄の移動が再開されます。
さらに、SO2、SO3、H2S および元素硫黄の形で硫黄が火山によって大気中に放出されます。
硫黄サイクルは人間の介入によって破壊される可能性があります。 その理由は石炭の燃焼と排出物です 化学工業、その結果、二酸化硫黄が生成され、光合成プロセスが妨害され、植物の死滅につながります。
したがって、生物地球化学サイクルは生物圏の恒常性を確保します。 しかし、それらは人間の影響を大きく受けます。 そして、人間の最も強力な反生態学的行為の 1 つは、自然のサイクルを破壊し、さらには破壊する (サイクルが非周期的になる) ことに関連しています。
人為的循環
人為的サイクルの原動力は人間の活動です。 このサイクルには、生物としての人間の機能に関連する生物学的要素と、人間の機能に関連する技術的要素の 2 つの要素が含まれます。 経済活動人々。 人為的サイクルは、地質学的サイクルや生物学的サイクルとは異なり、閉じられていません。 この閉鎖の欠如は、天然資源の枯渇と自然環境の汚染を引き起こします。
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地質大循環は堆積岩を地殻の奥深くに引き込み、そこに含まれる元素を生物学的循環システムから永久に排除します。 その間 地質史変化した堆積岩は、再び地球の表面に現れ、生物、水、空気の活動によって徐々に破壊され、再び生物圏サイクルに組み込まれます。
地質大循環は、数十万年または数百万年にわたって起こります。 それは次のとおりです。岩石は破壊され、風化し、最終的には水の流れによって世界の海洋に洗い流されます。 ここでそれらは底に堆積して堆積物を形成し、人間や他の動物によって水から除去された生物とともに部分的にのみ陸地に戻ります。
大規模な地質サイクルの基礎は、生物の関与なしに、惑星規模で鉱物化合物をある場所から別の場所に移動させるプロセスです。
小さなサイクルに加えて、大きな地質学的サイクルもあります。 一部の物質は地球の深層に侵入します（ 底質海またはその他）、そこでは鉱物および有機のさまざまな化合物の形成とともにゆっくりとした変化が起こります。 地質サイクルのプロセスは、主に地球の内部エネルギー、つまり活動的な核によって支えられています。 同じエネルギーが地球の表面への物質の放出に寄与します。 こうして物質の大きな循環は閉じられる。 何百万年もかかります。
物質の大規模な地質学的サイクルの速度と強度に関しては、現時点では正確なデータを提供することは不可能です。あるのはおおよその推定値だけであり、一般的なサイクルの外因性要素、つまり、 マントルから地殻への物質の流入を考慮していません。
この炭素は大きな地質循環に関与しています。 この炭素は、小さな生物循環の過程で、生物圏と生命一般のガスバランスを維持します。
| 世界のいくつかの河川からの固体流出。 |
地球の物質の大規模な地質サイクルに対する生物圏とテクノスフィアの構成要素の貢献は非常に重要です。人間の生産活動の範囲の拡大により、テクノスフィアの構成要素は絶えず漸進的に成長しています。
それ以来 地球の表面主要な技術地球化学的流れは、物質の大規模な地質学的サイクルの枠組みの中で、陸地の 70% が海洋に、30% が排水のない閉じた窪地に向けられていますが、その結果、常に高い標高から低い標高へと流れます。重力の作用に応じて、地殻の材質は、標高の高い場所から低い場所、陸地から海洋まで異なります。 逆流（大気の輸送、人間の活動、地殻変動、火山活動、生物の移動）は、この一般的な物質の下向きの動きをある程度複雑にし、局所的な現象を引き起こします。 移行サイクル、ただし全体としては変更しないでください。
大気中を通る陸地と海洋の間の水の循環は、地質学的大循環の一部です。 水は海洋表面から蒸発し、陸地に運ばれて降水として降下し、地表および地下流出の形で海に戻るか、または降水として海面に降下します。 地球上の水循環には、年間 50 万 km3 以上の水が関与しています。 水の循環は全体として、地球上の自然条件の形成に大きな役割を果たしています。 植物による水の蒸散と生物地球化学サイクルにおける吸収を考慮すると、地球上の水供給全体が分解され、200万年後に回復します。
彼の定式化によれば、物質の生物学的循環は、自然界における物質の大きな地質学的循環の軌道の一部に沿って発展します。
地表水と地下水による物質の移動は、体積の点で土地を区別する主な要因です。 グローブ地球化学的ですが、それだけではありません。地球表面全体の物質の大規模な地質学的サイクルについて言えば、流れはその中で、特に海洋と大気の輸送において非常に重要な役割を果たしています。
物質の大規模な地質学的サイクルの速度と強度に関しては、現時点では正確なデータを提供することは不可能です。あるのはおおよその推定値だけであり、一般的なサイクルの外因性成分のみです。 マントルから地殻への物質の流入を考慮していません。 物質の大規模な地質学的サイクルの外因性要素は、地表の露出という絶えず進行中のプロセスです。
生物圏の運動（発展）を止めることなく存在し続けるためには、地球上で生物学的に重要な物質の循環が絶えず行われていなければなりません。 この生物学的に重要な物質のリンクからリンクへの移行は、一定のエネルギーを消費することによってのみ実行でき、その源は太陽です。
太陽エネルギーは地球上の物質に 2 つのサイクルを提供します。
- 地質学的（非生物的）、または大規模なサイクル。
- 生物学的（生物的）、または小さなサイクル。
地質周期 それは水の循環と大気の循環に最もはっきりと現れます。
地球は太陽から年間約 21 10 20 kJ の放射エネルギーを受けています。 その約半分は水の蒸発に費やされます。 それが大きなサイクルを生むのです。
生物圏における水の循環は、地表からの蒸発量が降水量によって補われるという事実に基づいています。 同時に、降水とともに戻ってくる水よりも、海から蒸発する水の方が多くなります。 逆に陸上では、水の蒸発よりも多くの降水量が降ります。 その余剰分は川や湖に流れ込み、そこから再び海に流れ込みます。
水の地質循環の過程で、鉱物化合物は惑星規模である場所から別の場所に移動し、水の集合状態も変化します（液体、固体 - 雪、氷、気体 - 蒸気）。 水は蒸気の状態で最も集中的に循環します。
大気の循環に基づいた生命物質の出現により、水、その中に溶解した鉱物化合物、つまり 非生物的、地質学的サイクルに基づいて、有機物または小規模な物質の循環が生じました。 生物学的サイクル.
生物物質が発達するにつれて、より多くの元素が常に地質学的サイクルから抽出され、新しい生物学的サイクルに入ります。
大きな（地質学的）サイクルにおける鉱物元素の単純な移動と移動とは対照的に、小さな（生物学的）サイクルにおいては、 重要な点有機化合物の合成と破壊です。 これら 2 つのプロセスは特定の関係にあり、生命の基礎を成し、その主要な特徴の 1 つを構成します。
地質循環とは対照的に、生物循環のエネルギーは低くなります。 知られているように、地球に入射する太陽エネルギーのわずか 0.1 ～ 0.2% が有機物の生成に費やされます (地質循環では最大 50%)。 それにもかかわらず、生物循環に関与するエネルギーは、地球上で一次生産物を生み出すという膨大な作業に費やされています。
地球上に生命体が出現すると、 化学元素生物圏を継続的に循環し、 外部環境生物に取り込まれ、また外部環境に戻ります。
太陽エネルギーを使用して生物体を介して起こる、多かれ少なかれ閉じた経路に沿った化学元素のこのような循環は、と呼ばれます。 生物地球化学サイクル（サイクル）。
主な生物地球化学サイクルは、酸素、炭素、窒素、リン、硫黄、水、栄養素のサイクルです。
炭素循環。
陸上では、炭素循環は植物による光合成中の二酸化炭素の固定から始まります。 その後、二酸化炭素と水から炭水化物が形成され、酸素が放出されます。 この場合、植物の呼吸中に炭素の一部が二酸化炭素として放出されます。 植物に固定された炭素はある程度動物によって消費されます。 動物も呼吸時に二酸化炭素を放出します。 動植物の死骸は微生物によって分解され、死んだ有機物の炭素が酸化されて二酸化炭素となり、大気中に放出されます。
同様の炭素循環が海洋でも発生します。
窒素サイクル。
窒素循環は、他の生物地球化学循環と同様に、生物圏のすべての領域をカバーしています。 窒素循環は、窒素固定細菌と硝化細菌の活動による硝酸塩への変換に関連しています。 硝酸塩は土壌または水から植物に吸収されます。 植物は動物に食べられます。 最終的に、分解者は窒素をガス状に戻し、大気中に放出します。
現代の状況では、人間は窒素固定マメ科植物を広い地域で栽培し、天然窒素を人工的に固定することによって窒素循環に介入してきました。 農業と工業は、自然の陸上生態系よりも 60% 近く多くの固定窒素を供給すると考えられています。
同様の窒素循環が水生環境でも観察されます。
リンサイクル。
炭素や窒素とは異なり、リン化合物は岩石中に含まれており、侵食されてリン酸塩を放出します。 それらのほとんどは海や海洋に行き着きますが、魚を食べる鳥で終わる海洋食物連鎖を通じて部分的に陸に戻すことができます。 リン酸塩の一部は土壌に入り、植物の根に吸収されます。 植物によるリンの吸収は土壌溶液の酸性度に依存します。酸性度が増加すると、水に実質的に不溶性のリン酸塩は溶解性の高いリン酸に変換されます。 その後、植物は動物に食べられます。
生物地球化学サイクルの主な関係はさまざまな生物であり、その形態の多様性がサイクルの強さと地殻のほぼすべての要素のサイクルへの関与を決定します。
一般に、あらゆる化学元素の各サイクルは、地球上の物質の一般的な大循環の一部です。 それらは密接に関連しています。
私たちの地球上のすべての物質は循環の過程にあります。 太陽エネルギーは、地球上で大規模な生物圏 (生物圏全体を含む) と小規模な生物圏 (生態系内) の 2 つの物質サイクルを引き起こします。
生物圏における物質の循環は、岩石の形成と破壊、およびその後の破壊生成物（砕屑物質や化学元素）の移動に関連する地質学的循環に先行しました。 土地や水の表面の熱特性は、これらのプロセスにおいて重要な役割を果たし、今後も重要な役割を果たし続けます。吸収から反射まで 太陽光線、熱伝導率を熱容量に変換します。 水はより多くの太陽エネルギーを吸収し、同じ緯度の地表はより熱くなります。 地球表面の不安定な熱水状態は、惑星の大気循環システムとともに、地球の発展の初期段階での物質の地質循環を決定しました。 内因性プロセス、大陸、海洋、現代の地圏の形成に関連していました。 その地質学的徴候はその移動によっても示されています 気団風化生成物、および水 - それに溶解した鉱物化合物。 生物圏の形成に伴い、生物の老廃物も大きなサイクルの中に組み込まれました。 地質循環は、その存在を止めることなく、新たな特徴を獲得しました。それは、生物圏における物質の移動の初期段階です。 生物に栄養素を供給し、その生存条件を大きく決定するのは彼です。
生物圏における物質の大循環は、次の 2 つの重要な点によって特徴付けられます。
地球の地質学的発展全体を通じて行われます。
それは現代の惑星のプロセスであり、 更なる発展生物圏 (Radkevich、1983)。
の上 現代の舞台結果としての人類の発展 大旋回硫黄酸化物、窒素酸化物、粉塵、放射性不純物などの汚染物質も長距離輸送されます。 その地域は最も汚染されていた 温帯緯度北半球。
物質の小さな生物学的循環は、生物圏全体を覆う大きな地質学的循環を背景に展開します。 それは生態系内で発生しますが、閉鎖されておらず、外部から生態系への物質とエネルギーの侵入、およびそれらの一部の生物圏サイクルへの放出に関連しています。 このため、人々は生物循環についてではなく、生態系や個々の生物におけるエネルギーの交換について話すことがあります。
植物、動物、そして 覆土陸上で複合体を形成する 世界システム、バイオマスを形成し、太陽エネルギー、大気中の炭素、水分、酸素、水素、窒素、リン、硫黄、カルシウム、および生物の生活に関与するその他の元素を結合して再分配します。 水生環境の植物、動物、微生物は、太陽エネルギーと物質の生物学的循環を結び付けるという同じ機能を果たす別の惑星系を形成しています。
生物学的サイクルの本質は、有機物の生成とその破壊という、相反するものの相互に関連した 2 つのプロセスの発生にあります。 初期有機物の出現は緑色植物の光合成によるものです。 太陽の放射エネルギーを使用して、二酸化炭素、水、鉱物化合物からこの物質を形成します。 植物は、硫黄、リン、カルシウム、カリウム、マグネシウム、マンガン、ケイ素、アルミニウム、銅、亜鉛、およびその他の元素を土壌から溶解した形で抽出します。 草食動物は、植物由来の食物の形でこれらの元素の化合物をすでに吸収しています。 捕食者は草食動物を餌にし、より多くの食物を消費します 複雑な構成、タンパク質、脂肪、アミノ酸などが含まれます。植物や動物の死骸の有機物が微生物によって破壊され、土壌に取り込まれる過程で、 水生環境植物による同化に利用できる単純な鉱物化合物が到着し、生物学的サイクルの次のラウンドが始まります。
大循環とは異なり、小循環は異なる期間を持ち、季節性、一年生、多年性、永年性の小さな循環が区別されます。 物質の生物学的循環を研究する場合、植生の発達の年間動態によって決定される年間リズムに主な注意が払われます。
鉱物と水の大規模な地質循環は、膨大な数の非生物的要因の影響下で発生します。
4.3.1. 大きな地質循環における物質の循環。
リソスフェアプレート理論によれば、地球の外殻はいくつかの非常に大きなブロック（プレート）で構成されています。 この理論は、厚さ 100 ～ 150 km の強力なリソスフェア プレートの水平運動の存在を前提としています。
さらに、中央海嶺内、いわゆる地溝帯内。 リソスフェアプレートは破壊され、若い海洋地殻の形成とともに離れていきます
この現象を海底拡大といいます。 したがって、鉱物物質の流れがマントルの深部から上昇し、若い結晶岩を形成します。
この過程とは対照的に、深海溝の領域では、一部が常に突き出ています。 大陸地殻これには、プレートの周縁部がマントルに浸ることが伴います。つまり、地殻の固形物の一部が地球のマントルの組成に入ります。 深海の海溝で起こるこのプロセスは、海洋地殻の沈み込みと呼ばれます。
地球上の水の循環は、どこでも継続的に行われています。 水循環の原動力 – 熱エネルギーそして重力。 熱の影響下で、水蒸気の蒸発、凝縮、その他のプロセスが発生し、太陽からのエネルギーの約 50% が消費されます。 重力の影響下 - 雨滴の落下、川の流れ、土壌と地下水の動き。 多くの場合、これらの理由は一緒に作用します。たとえば、熱プロセスと重力の両方が大気中の水の循環に作用します。
4.3.2. 無生物における元素の循環
これは、水の移動と空気の移動の 2 つの方法で行われます。 空気移民には、酸素、水素、窒素、ヨウ素が含まれます。
水移行物質には、主に分子やイオンの形で土壌、地表水、地下水に移動する物質が含まれます: ナトリウム、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、硫黄、塩素、カリウム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、ストロンチウム、空気移行物質も、水中を移動する塩の一部です。 しかし、彼らにとっては空気移動の方が一般的です。
4.4 小さな（生物学的）サイクル
生物圏における生物の質量は比較的小さいです。 それが地球の表面に分布している場合、結果はわずか 1.5 cm の層になります。表 4.1 は、地球の生物圏と他の地圏のいくつかの定量的特性を比較しています。 地球上の他の殻の質量の10〜6倍未満を構成する生物圏は、比較にならないほど多様性があり、その組成は100万倍の速さで更新されます。
表4.1
生物圏と地球の他の地圏との比較
*生体重量に基づく生体物質
4.4.1. 生物圏の機能
生物圏の生物相のおかげで、地球上の化学変化の大部分が発生します。 したがって、V.I.の判決は次のとおりです。 ヴェルナツキーは、生命物質の巨大な変革をもたらす地質学的役割について語ります。 有機進化の過程で、生物は自らを、器官、組織、細胞、血液を通過し、大気全体、世界の海の全容積、土壌塊の大部分、そして膨大な鉱物物質の塊を何千回も通過しました（ 103 回から 105 回までの異なるサイクル)。 そして彼らはそれを見逃しただけでなく、自分たちのニーズに合わせて地球環境を改変してしまいました。
太陽エネルギーを化学結合のエネルギーに変換する能力のおかげで、植物や他の生物は惑星規模で多くの基本的な生物地球化学的機能を実行します。
ガス機能。 生物は、光合成と呼吸のプロセスを通じて、常に酸素と二酸化炭素を環境と交換しています。 植物は、地球の地球化学的進化における還元環境から酸化環境への変化と、現代の大気のガス組成の形成において決定的な役割を果たしました。 植物は、現代の生物全体にとって最適なO2とCO2の濃度を厳密に管理しています。
集中機能。 生物は、体内に大量の空気や自然溶液を通過させることにより、生物起源の移動（移動）を行っています。 化学薬品)、化学元素とその化合物の濃度。 これは、有機物の生合成、サンゴ島の形成、貝殻や骨格の構築、堆積性石灰岩層の出現、一部の金属鉱石の堆積、海底での鉄マンガン団塊の蓄積などに関係しています。生物進化の初期段階は水生環境で起こりました。 生物は、希薄な水溶液から必要な物質を抽出し、体内の濃度を繰り返し高めることを学習しました。
生物の酸化還元機能は、生物起源の元素の移動や物質の濃度と密接に関係しています。 自然界の多くの物質は安定しており、通常の条件下では酸化を受けません。たとえば、窒素分子は最も重要な生体元素の 1 つです。 しかし、生きた細胞には非常に強力な触媒、つまり酵素があり、非生物的環境で起こるよりも何百万倍もの速さで多くの酸化還元反応を実行することができます。
生物圏の生物の情報機能。 構造を単純に反映した「死んだ」情報とは異なる、活動的な（「生きている」）情報が地球上に現れたのは、最初の原始的な生物の出現とともにでした。 生物は、エネルギーの流れとプログラムの役割を果たす活性な分子構造を組み合わせることで情報を取得できることが判明しました。 分子情報を知覚、保存、処理する能力は自然界で急速に進化しており、生態系を形成する最も重要な要素となっています。 生物相の遺伝情報の総供給量は 1015 ビットと推定されています。 地球規模の生物相のすべての細胞における代謝とエネルギーに関連する分子情報の流れの合計パワーは 1036 bit/s に達します (Gorshkov et al., 1996)。
4.4.2. 生物学的サイクルの構成要素。
生物学的循環は、生物圏のすべての構成要素間 (つまり、土壌、空気、水、動物、微生物などの間) で発生します。 それは生物の義務的な参加によって起こります。
生物圏に到達する太陽放射は、年間約 2.5 * 1024 J のエネルギーを運びます。 光合成中に直接エネルギーに変換されるのはわずか 0.3% だけです 化学結合有機物質、つまり 生物周期に関与しています。 そして地球に降り注ぐ太陽エネルギーの0.1～0.2％が純粋な太陽エネルギーに含まれていることが判明 一次生産。 このエネルギーのさらなる運命は、栄養連鎖のカスケードを通した食物の有機物の移動に関連しています。
生物学的サイクルは、条件付きで相互に関連した要素、つまり物質のサイクルとエネルギーのサイクルに分割できます。
4.4.3. エネルギーサイクル。 生物圏におけるエネルギーの変換
生態系は、エネルギー、物質、情報を継続的に交換する生物の集合体と言えます。 エネルギーは仕事をする能力として定義できます。 生態系におけるエネルギーの動きを含むエネルギーの特性は、熱力学の法則によって記述されます。
熱力学の第一法則またはエネルギー保存の法則は、エネルギーは消滅したり新たに生成されるのではなく、ある形式から別の形式に移行するだけであると述べています。
熱力学の第 2 法則は、閉鎖系ではエントロピーは増加するだけであると述べています。 生態系におけるエネルギーに関しては、次の定式化が便利です。エネルギーの変換に関連するプロセスは、エネルギーが濃縮された形から分散された形に移行する、つまりエネルギーが分解されるという条件下でのみ自発的に発生します。 使用できなくなるエネルギーの量の尺度、またはエネルギーの劣化中に生じる秩序の変化の尺度がエントロピーです。 システムの次数が高くなるほど、そのエントロピーは低くなります。
言い換えれば、生物は宇宙と太陽のエネルギーを受け取り、地球のプロセス（化学、機械、熱、電気）のエネルギーに変換します。 このエネルギーと無機物を生物圏の物質の継続的な循環に組み込みます。 生物圏におけるエネルギーの流れは、太陽から植物（独立栄養生物）を通って動物（従属栄養生物）へと向かう一方向です。 一定の重要な環境指標 (ホメオスタシス) を備えた安定した状態にある自然のままの手つかずの生態系は、最も秩序あるシステムであり、エントロピーが最も低いという特徴があります。
4.4.4. 生きた自然界における物質の循環
生物物質の形成とその分解は、化学元素の生物学的サイクルと呼ばれる 1 つのプロセスの 2 つの側面です。 生命は、生物と環境の間の化学元素の循環です。
このサイクルが起こる理由は、生物の体を構成する元素の数が限られているためです。 各生物は、環境中から生命に必要な物質を抽出し、未使用のものを戻します。 この場合：
一部の生物は環境からミネラルを直接消費します。
他の人は、最初に加工および分離された製品を使用します。
物質が元の状態で環境に戻るまで、3 回目 - 2 回目などと続きます。
生物圏では、互いの老廃物を利用できるさまざまな生物が共存することが明らかに必要です。 実質的に無駄のない生物生産が見られます。
生体内の物質循環は、大きく次の4つの過程に集約されます。
1. 光合成。 光合成の結果、植物は太陽エネルギーを吸収して蓄積し、一次生物産物である有機物質と無機物質から酸素を合成します。 一次生物学的製品は非常に多様で、炭水化物 (グルコース)、デンプン、繊維、タンパク質、脂肪が含まれています。
最も単純な炭水化物 (グルコース) の光合成スキームは次のとおりです。
このプロセスは日中にのみ発生し、植物の質量の増加を伴います。
地球上では、光合成の結果、年間約1,000億トンの有機物が形成され、約2,000億トンの二酸化炭素が吸収され、約1,450億トンの酸素が放出されます。
光合成は、地球上の生命の存在を確保する上で決定的な役割を果たします。 その世界的な重要性は、光合成が、ミニマリスト原理に従って、熱力学プロセス中のエネルギーが散逸されず、むしろ蓄積される唯一のプロセスであるという事実によって説明されます。
植物はタンパク質の構築に必要なアミノ酸を合成することで、他の生物から比較的独立して存在することができます。 これは植物の独立栄養性（栄養の独立性）を示します。 同時に、植物の緑色の塊と光合成中に生成される酸素は、次のグループの生物、つまり動物や微生物の生命を支える基礎となります。 これは、このグループの生物の従属栄養性を示しています。
2. 呼吸。 このプロセスは光合成の逆です。 すべての生きた細胞で発生します。 呼吸するとき 有機物酸素によって酸化され、二酸化炭素、水が形成され、エネルギーが放出されます。
3. 独立栄養生物と従属栄養生物の間の食物（栄養）関係。 で この場合食物連鎖のつながりに沿ってエネルギーと物質の移動が起こりますが、これについては以前に詳しく説明しました。
4. 蒸散のプロセス。 生物学的サイクルの中で最も重要なプロセスの 1 つ。
それは次のように概略的に説明できます。 植物は根から土壌の水分を吸収します。 同時に、水に溶けているミネラルを受け取り、吸収され、環境条件に応じて多かれ少なかれ集中的に水分が蒸発します。
4.4.5. 生物地球化学サイクル
地質学的サイクルと生物学的サイクルはつながっており、それらは単一のプロセスとして存在し、物質の循環、いわゆる生物地球化学サイクル (BGCC) を引き起こします。 この元素の循環は、生態系における有機物質の合成と崩壊によるものです (図 4.1)。生物圏のすべての元素が BGCC に関与しているわけではなく、生物起源の元素のみが関与しています。 生物はそれらから構成されており、これらの元素はさまざまな反応を起こし、生物内で起こるプロセスに関与します。 パーセンテージで表すと、生物圏内の生物の総質量は、次の主要な生物元素で構成されます: 酸素 - 70%、炭素 - 18%、水素 - 10.5%、カルシウム - 0.5%、カリウム - 0.3%、窒素 - 0、 3% (酸素、水素、窒素、炭素はあらゆる地形に存在し、生物の基礎です - 98%)。
化学元素の生物起源の移動の本質。
このように、生物圏には生物起源の物質循環（生物の生命活動によって引き起こされる循環）と一方向のエネルギーの流れが存在します。 化学元素の生物起源の移動は、主に 2 つの相反するプロセスによって決定されます。
1. 太陽エネルギーによる環境要素からの生物の形成。
2. エネルギーの放出を伴う有機物質の破壊。 この場合、鉱物物質の要素は繰り返し生物に侵入し、それによって複雑な有機化合物の一部となり、形成され、その後、後者が破壊されると、再び鉱物の形態を獲得します。
生物の一部であっても生物起源として分類されない元素があります。 このような元素は、生物内の重量分率に従って次のように分類されます。
マクロ元素 - 質量の少なくとも 10 ～ 2% を構成します。
微量元素 – 質量の 9*10-3 ～ 1*10-3% の成分。
超微量元素 - 質量の 9*10-6% 未満。
生物圏の他の化学元素の中で生物起源元素がどこに位置するかを決定するために、生態学で受け入れられている分類を考慮してみましょう。 生物圏で発生するプロセスにおけるそれらの活動に従って、すべての化学元素は 6 つのグループに分類されます。
希ガス - ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン。 不活性ガスは生物の一部ではありません。
貴金属 - ルテニウム、ラジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、プラチナ、金。 これらの金属は地殻内で化合物をほとんど生成しません。
周期的または生物起源の要素（それらは移動性要素とも呼ばれます）。 地球の地殻に含まれるこのグループの生物元素は総質量の 99.7% を占め、残りの 5 つのグループ - 0.3% を占めます。 したがって、元素の大部分は地理的範囲内を循環する移民であり、不活性元素の部分は非常に小さいです。
遊離原子が優勢であることを特徴とする散乱元素。 参加する 化学反応、しかしそれらの化合物は地殻中にほとんど見つかりません。 それらは 2 つのサブグループに分けられます。 1つ目 - ルビジウム、セシウム、ニオブ、タンタル - は地殻の深さで化合物を生成し、表面ではそれらの鉱物が破壊されます。 2番目のヨウ素、臭素は表面でのみ反応します。
放射性元素 - ポロニウム、ラドン、ラジウム、ウラン、ネプツニウム、プルトニウム。
希土類元素 - イットリウム、サマリウム、ユウロピウム、ツリウムなど。
一年中、約 4,800 億トンの物質の生化学サイクルが動き始めます。
V.I. ベルナツキーは、化学元素の生物起源の移動の本質を説明する 3 つの生物地球化学原則を定式化しました。
生物圏における化学元素の生物起源の移動は、常にその最大の発現を目指しています。
地質時代にわたる種の進化は、安定した生命形態の創造につながり、原子の生物起源の移動を促進する方向に進んでいます。
生物は環境と継続的に化学交換を行っており、これが生物圏を再構築し維持する要因となっています。
これらの元素の一部が生物圏でどのように移動するかを考えてみましょう。
炭素循環。 生物循環の主な参加者は、有機物質の基礎となる炭素です。 炭素循環は主に、光合成のプロセスを通じて生物と大気中の二酸化炭素の間で発生します。 草食動物は食物から、肉食動物は草食動物から摂取します。 呼吸と崩壊の間に、二酸化炭素の一部は大気中に戻りますが、その戻りは有機鉱物が燃焼するときに起こります。
炭素が大気中に戻らない場合、炭素は 7 ～ 8 年で緑の植物によって消費されます。 光合成による生物学的炭素代謝回転の速度は 300 年です。 海洋は、大気中の CO2 含有量の調節に大きな役割を果たしています。 大気中の CO2 含有量が増加すると、その一部が水に溶解し、炭酸カルシウムと反応します。
酸素サイクル。
酸素は高い化学活性を持ち、地殻のほぼすべての元素と結合します。 それは主に化合物の形で存在します。 生物の原子の 4 番目ごとに酸素原子があります。 大気中の分子状酸素のほとんどすべては、緑色植物の活動によって発生し、一定レベルに維持されています。 大気中の酸素は、呼吸中に結合され、光合成中に放出され、200 年かけてすべての生物を通過します。
窒素サイクル。 窒素はすべてのタンパク質に不可欠な部分です。 有機物を構成する元素である固定窒素と自然界の窒素の一般的な比率は1:100,000です。 窒素分子の化学結合エネルギーは非常に高いです。 したがって、窒素と他の元素（酸素、水素）との結合（窒素固定プロセス）には多量のエネルギーが必要です。 工業用窒素固定は、触媒の存在下、温度 -500°C、圧力 -300 atm で行われます。
ご存知のとおり、大気中には 78% 以上の窒素分子が含まれていますが、この状態では緑色の植物は窒素分子を利用できません。 植物は栄養のために硝酸と亜硝酸の塩しか使用できません。 これらの塩はどのようにして形成されるのでしょうか? その一部を次に示します。
生物圏では、常温常圧で数群の嫌気性細菌やシアノバクテリアの高い生体触媒作用により窒素固定が行われています。 細菌は年間約 10 億トンの窒素を結合型に変換すると考えられています (産業上の固定量は世界全体で約 9,000 万トン)。
土壌窒素固定細菌は空気から分子状窒素を吸収することができます。 これらは土壌を窒素化合物で豊かにするため、その重要性は非常に高いです。
植物および動物由来の有機物質の窒素含有化合物の分解の結果として。
細菌の影響下で、窒素は硝酸塩、亜硝酸塩、アンモニウム化合物に変わります。 植物では、窒素化合物はタンパク質化合物の合成に関与し、タンパク質化合物は食物連鎖で生物から生物へと受け渡されます。
リンサイクル。 もう一つの重要な元素は、それなしではタンパク質合成が不可能であるため、リンです。 主な起源は火成岩 (アパタイト) と堆積岩 (リン鉱石) です。
無機リンは、自然の浸出プロセスの結果としてこのサイクルに関与します。 リンは生物によって吸収され、生物はその関与により多くの有機化合物を合成し、それらをさまざまな栄養段階に移動させます。
栄養連鎖を経て有機リン酸塩は微生物によって分解され、緑色植物が利用できる無機リン酸塩に変換されます。
物質とエネルギーの移動を保証する生物学的循環の過程では、老廃物が蓄積する場所はありません。 それぞれの生命体の老廃物（廃棄物）は、他の生物の繁殖地となります。
理論的には、生物圏ではバイオマスの生成とその分解の間のバランスが常に維持される必要があります。 しかし、特定の地質時代には、特定の自然条件や災害により、すべての生物産物が同化および変換されず、生物循環のバランスが崩れました。 このような場合、過剰な生物学的産物が形成され、それらは保存され、地殻、水柱の下、堆積物に堆積し、最終的にこのゾーンに到達しました。 永久凍土。 このようにして、石炭、石油、ガス、石灰石の鉱床が形成されました。 それらは生物圏を汚染しないことに注意する必要があります。 有機ミネラルは、光合成の過程で蓄積された太陽のエネルギーを濃縮します。 さて、人間は有機化石燃料を燃やすことによってこのエネルギーを放出します。