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Ein großer geologischer Kreislauf umfasst Sedimentgesteine ​​in der Tiefe Erdkruste, die darin enthaltenen Elemente für lange Zeit aus dem biologischen Kreislaufsystem auszuschalten. Während geologische Geschichte die umgewandelten Sedimentgesteine, wieder auf der Erdoberfläche, werden nach und nach durch die Aktivität von Lebewesen, Wasser und Luft zerstört und wieder in den biosphärischen Kreislauf einbezogen.

Ein großer geologischer Zyklus findet über Hunderttausende oder Millionen von Jahren statt. Es besteht aus Folgendem: Gesteine ​​werden zerstört, verwittert und schließlich weggespült, indem Wasser in die Ozeane fließt. Hier lagern sie sich am Boden ab, bilden Sedimentgesteine ​​und kehren nur teilweise mit Organismen, die von Menschen oder anderen Tieren aus dem Wasser entfernt wurden, an Land zurück.

Im Mittelpunkt eines großen geologischen Kreislaufs steht der Prozess der Übertragung von Mineralverbindungen von einem Ort zum anderen auf planetarischer Ebene ohne Beteiligung lebender Materie.

Neben dem kleinen Kreislauf gibt es einen großen, geologischen Kreislauf. Einige Stoffe gelangen in die tiefen Schichten der Erde (durch die Bodensedimente der Meere oder auf andere Weise), wo mit der Bildung langsame Umwandlungen stattfinden diverse Anschlüsse, mineralisch und organisch. Die Prozesse des geologischen Kreislaufs werden hauptsächlich von der inneren Energie der Erde, ihrem aktiven Kern, unterstützt. Die gleiche Energie trägt zur Freisetzung von Substanzen an der Erdoberfläche bei. Somit schließt sich ein großer Stoffkreislauf. Es dauert Millionen von Jahren.

Über Geschwindigkeit und Intensität der großen geologischen Stoffumwälzungen gibt es derzeit, so genau die Angaben auch gemacht werden können, nur ungefähre Schätzungen, und dann auch nur für die exogene Komponente des allgemeinen Kreislaufs, d.h. ohne Berücksichtigung des Eintrags von Materie aus dem Mantel in die Erdkruste.

Dieser Kohlenstoff nimmt an einem großen geologischen Kreislauf teil. Dieser Kohlenstoff hält im Prozess eines kleinen biotischen Kreislaufs den Gashaushalt der Biosphäre und des Lebens im Allgemeinen aufrecht.

Fester Abfluss einiger Flüsse der Welt.

Der Beitrag der biosphärischen und technosphärischen Komponenten zum großen geologischen Stoffkreislauf der Erde ist sehr bedeutend: Es gibt ein ständig fortschreitendes Wachstum der technosphärischen Komponenten aufgrund der Erweiterung des Bereichs der menschlichen Produktionstätigkeit.

Denn weiter Erdoberfläche Der technisch-biogeochemische Hauptstrom wird im Rahmen eines großen geologischen Stoffkreislaufs für 70 % des Landes in den Ozean und für 30 % in geschlossene abflusslose Vertiefungen geleitet, jedoch immer von höheren zu niedrigeren Ebenen, als Folge der Handlung Gravitationskräfte Entsprechend unterscheidet sich auch das Material der Erdkruste von Hoch- zu Tieflagen, vom Land zum Ozean. Rückströmungen (atmosphärischer Transport, menschliche Aktivität, tektonische Bewegungen, Vulkanismus, Migration von Organismen) erschweren bis zu einem gewissen Grad diese allgemeine Abwärtsbewegung der Materie, indem sie lokale Migrationszyklen erzeugen, ändern sie jedoch nicht im Allgemeinen.

Die Zirkulation von Wasser zwischen Land und Ozean durch die Atmosphäre bezieht sich auf einen großen geologischen Kreislauf. Wasser verdunstet von der Meeresoberfläche und wird entweder an Land geleitet, wo es in Form von Niederschlag fällt, der als Oberflächen- und Untergrundabfluss wieder in den Ozean zurückfließt, oder als Niederschlag an die Meeresoberfläche fällt. Mehr als 500.000 km3 Wasser nehmen jedes Jahr am Wasserkreislauf der Erde teil. Der Wasserkreislauf als Ganzes spielt eine große Rolle bei der Gestaltung natürliche Bedingungen auf unserem Planeten. Unter Berücksichtigung der Transpiration von Wasser durch Pflanzen und seiner Aufnahme in den biogeochemischen Kreislauf zerfällt der gesamte Wasservorrat der Erde und wird in 2 Millionen Jahren wiederhergestellt.

Nach seiner Formulierung biologischen Kreislauf Stoffe entsteht auf einem Teil der Trajektorie eines großen, geologischen Stoffkreislaufs in der Natur.

Der Transport von Materie durch Oberfläche und Grundwasser- Dies ist der Hauptfaktor in Bezug auf die Landdifferenzierung der Globus geochemisch, aber nicht die einzige, und wenn wir von den großen geologischen Stoffkreisläufen auf der Erdoberfläche insgesamt sprechen, dann spielen Strömungen dabei eine ganz wesentliche Rolle, insbesondere der ozeanische und atmosphärische Transport.

Über die Geschwindigkeit und Intensität der großen geologischen Stoffumwälzungen können derzeit keine genauen Angaben gemacht werden, es gibt nur ungefähre Schätzungen, und dann auch nur für die exogene Komponente des allgemeinen Kreislaufs, d.h. ohne Berücksichtigung des Eintrags von Materie aus dem Mantel in die Erdkruste. Die exogene Komponente des großen geologischen Stoffkreislaufs ist der ständig fortschreitende Prozess der Abtragung der Erdoberfläche.

In der Biosphäre gibt es einen globalen (großen oder geologischen) Stoffkreislauf, der schon vor dem Auftreten der ersten Lebewesen existierte. Es enthält eine Vielzahl von chemische Elemente. Der geologische Zyklus wird dank der Sonnen-, Gravitations-, Tektonik- und durchgeführt Weltraum Arten Energie.

Mit dem Aufkommen der lebenden Materie entstand auf der Grundlage des geologischen Kreislaufs der Kreislauf der organischen Materie – ein kleiner (biotischer oder biologischer) Kreislauf.

Der biotische Stoffkreislauf ist ein kontinuierlicher, zyklischer, zeitlich und räumlich ungleichmäßiger Prozess der Bewegung und Umwandlung von Stoffen, der während dessen auftritt direkte Beteiligung lebende Organismen. Es ist ein kontinuierlicher Prozess der Entstehung und Zerstörung organischer Materie und wird unter Beteiligung aller drei Gruppen von Organismen durchgeführt: Produzenten, Konsumenten und Zersetzer. Etwa 40 biogene Elemente sind an biotischen Kreisläufen beteiligt. Höchster Wert für lebende Organismen haben sie Kreisläufe von Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Phosphor, Schwefel, Eisen, Kalium, Kalzium und Magnesium.

Bei der Entwicklung der lebenden Materie wird dem geologischen Kreislauf ständig alles entzogen. weitere Artikel die in einen neuen, biologischen Kreislauf eintreten. Die Gesamtmasse der jährlich am biotischen Stoffkreislauf beteiligten Aschestoffe allein an Land beträgt etwa 8 Milliarden Tonnen. Dies ist ein Vielfaches der Masse der Produkte der Eruption aller Vulkane der Welt im Laufe des Jahres. Die Zirkulationsgeschwindigkeit der Materie in der Biosphäre ist unterschiedlich. Die lebende Materie der Biosphäre wird im Durchschnitt 8 Jahre lang aktualisiert, die Masse des Phytoplanktons im Ozean wird täglich aktualisiert. Der gesamte Sauerstoff in der Biosphäre geht in 2000 Jahren durch lebende Materie und Kohlendioxid- seit 300 Jahren.

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

ATMOSPHÄRE HYDROSPHÄRE

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LEBENDIGE SUBSTANZ

DIE ERDE

Evolution der Biosphäre

Die Biosphäre entstand mit der Geburt der ersten Lebewesen vor etwa 3,5 Milliarden Jahren. Im Laufe der Entwicklung des Lebens änderte es sich. Die Entwicklungsstadien der Biosphäre können unter Berücksichtigung der Merkmale des Ökosystemtyps unterschieden werden.

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

2. Die Entstehung lebender Organismen an Land, die Entwicklung der Land-Luft-Umwelt und des Bodens sowie die Entstehung terrestrischer Ökosysteme. Dies wurde durch das Vorhandensein von Sauerstoff in der Atmosphäre und ermöglicht Ozonschild. Es geschah vor 2,5 Milliarden Jahren.

3. Das Aussehen einer Person, die ihn verwandelt biosoziales Wesen und die Entstehung von Anthropoökosystemen fand vor 1 Million Jahren statt.

4. Der Übergang der Biosphäre unter dem Einfluss intelligenter menschlicher Aktivität in eine neue Qualitätszustand- in die Noosphäre.

Noosphäre

die höchste Stufe Die Entwicklung der Biosphäre ist die Noosphäre – die Stufe der vernünftigen Regulierung der Beziehung zwischen Mensch und Natur. Dieser Begriff wurde 1927 eingeführt Französischer Philosoph E.Leroy. Er glaubte, dass die Noosphäre die menschliche Gesellschaft mit ihrer Industrie, Sprache und anderen Attributen intelligenter Aktivität umfasst. In den 30-40er Jahren. XX Jahrhundert V.I. Vernadsky entwickelte materialistische Vorstellungen über die Noosphäre. Er glaubte, dass die Noosphäre als Ergebnis der Interaktion von Biosphäre und Gesellschaft entsteht, von der sie kontrolliert wird enge Beziehung Naturgesetze, Denk- und sozioökonomische Gesetzmäßigkeiten der Gesellschaft, und betonte dies

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

Die Noosphäre ist eine neue, höhere Stufe der Biosphäre, die mit der Entstehung und Entwicklung der Menschheit in ihr verbunden ist, die durch Kenntnis der Naturgesetze und Verbesserung der Technologie wird die größte Kraft, vergleichbar mit geologischen, beginnen den Ablauf der Prozesse auf der Erde entscheidend zu beeinflussen und mit ihrer Arbeit tiefgreifend zu verändern. Die Entstehung und Entwicklung der Menschheit äußerte sich in der Entstehung neuer Formen des Stoff- und Energieaustausches zwischen Gesellschaft und Natur, in dem immer stärker werdenden Einfluss des Menschen auf die Biosphäre. Die Noosphäre wird kommen, wenn die Menschheit mit Hilfe der Wissenschaft in der Lage sein wird, natürliche und soziale Prozesse sinnvoll zu steuern. Daher kann die Noosphäre nicht als besondere Hülle der Erde betrachtet werden.

Die Wissenschaft, die Beziehung zwischen der menschlichen Gesellschaft und der Natur zu managen, wird Noogenics genannt.

Das Hauptziel der Noogenics ist die Planung der Gegenwart für die Zukunft, und ihre Hauptaufgaben sind die Korrektur von Verletzungen der Beziehung zwischen Mensch und Natur, die durch den Fortschritt der Technologie verursacht wurden, die bewusste Kontrolle der Evolution der Biosphäre . Es soll eine geplante, wissenschaftlich fundierte Nutzung der natürlichen Ressourcen entstehen, die im Gegensatz zu einer spontanen, räuberischen Haltung gegenüber der Natur, die zu einer Verschlechterung führt, die Wiederherstellung des durch den Menschen geschändeten Stoffkreislaufs vorsieht Umfeld. Dies erfordert die nachhaltige Entwicklung einer Gesellschaft, die die Bedürfnisse der Gegenwart befriedigt, ohne die Fähigkeit zukünftiger Generationen zu gefährden, ihre eigenen Bedürfnisse zu befriedigen.

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

BIOSPHÄRE UND MENSCH

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

Natürliche Ressourcen – natürliche Objekte und Phänomene, die eine Person im Arbeitsprozess verwendet. Sie versorgen die Menschen mit Nahrung, Kleidung, Unterkunft. Je nach Erschöpfungsgrad werden sie unterteilt in erschöpfend und unerschöpflich . Erschöpfbar Ressourcen werden unterteilt in verlängerbar und nicht erneuerbar . Zu den nicht erneuerbaren Ressourcen gehören jene Ressourcen, die nicht wiederbelebt werden (oder hundertmal langsamer erneuert werden, als sie verbraucht werden): Öl, Kohle, Metallerze und die meisten Mineralien. Erneuerbare natürliche Ressourcen - Boden, Vegetation u Tierwelt, Mineralien ( Salz). Diese Ressourcen werden ständig mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten wiederhergestellt: Tiere - mehrere Jahre, Wälder - 60-80 Jahre, Böden, die ihre Fruchtbarkeit verloren haben - seit mehreren Jahrtausenden. Die Überschreitung der Verbrauchsrate gegenüber der Reproduktionsrate führt zum vollständigen Verschwinden der Ressource.

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

Zufriedenheit menschliche Bedürfnisse undenkbar ohne die Ausbeutung natürlicher Ressourcen.

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

1. Veränderung der Struktur der Erdoberfläche(Land pflügen, Gewässer entwässern, Abholzung, Kanalbau). Die Menschheit wird zu einer mächtigen geologischen Kraft. Eine Person verbraucht 75 % des Landes, 15 % des Flusswassers, 20 Hektar Wald werden jede Minute abgeholzt.

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

Komplexe (Landschafts-)Änderungen - Verletzung der Integrität und natürliche Struktur Landschaften, die Einzigartigkeit von Naturdenkmälern, der Verlust von Nutzland, Wüstenbildung.

Alle Substanzen auf dem Planeten befinden sich im Kreislauf. Sonnenenergie verursacht auf der Erde zwei Stoffkreisläufe: groß (geologisch, biosphärisch) und klein (biologisch).

Die große Stoffzirkulation in der Biosphäre ist durch zwei gekennzeichnet wichtige Punkte: es wird durchgehend durchgeführt geologische Entwicklung Erde und ist ein moderner planetarischer Prozess, der eine führende Rolle einnimmt weitere Entwicklung Biosphäre.

Der geologische Zyklus ist mit der Bildung und Zerstörung von Gesteinen und der anschließenden Bewegung von Zerstörungsprodukten - Schuttmaterial und chemischen Elementen - verbunden. Eine wesentliche Rolle bei diesen Prozessen spielten und spielen die thermischen Eigenschaften der Land- und Wasseroberfläche: die Absorption und Reflexion des Sonnenlichts, die Wärmeleitfähigkeit und die Wärmekapazität. Das instabile hydrothermale Regime der Erdoberfläche bestimmte zusammen mit dem planetaren atmosphärischen Zirkulationssystem die geologische Zirkulation von Substanzen, die im Anfangsstadium der Erdentwicklung zusammen mit endogenen Prozessen mit der Bildung von Kontinenten, Ozeanen und Moderne verbunden war Geosphären. Mit der Bildung der Biosphäre wurden die Produkte der Lebenstätigkeit der Organismen in den großen Kreislauf aufgenommen. Der geologische Kreislauf versorgt lebende Organismen mit Nährstoffen und bestimmt maßgeblich ihre Existenzbedingungen.

Wichtigste chemische Elemente Lithosphären: Sauerstoff, Silizium, Aluminium, Eisen, Magnesium, Natrium, Kalium und andere - nehmen an einer großen Zirkulation teil, die von den tiefen Teilen des oberen Mantels bis zur Oberfläche der Lithosphäre reicht. Eruptivgestein, das während der Kristallisation von Magma entstand, nachdem es aus den Tiefen der Erde auf die Oberfläche der Lithosphäre gelangt war, zersetzt sich und verwittert in der Biosphäre. Verwitterungsprodukte gehen in einen beweglichen Zustand über, werden von Wasser, Wind zu niedrigen Reliefstellen getragen, fallen in Flüsse, den Ozean und bilden dicke Schichten von Sedimentgestein, die im Laufe der Zeit in Gebieten mit erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck in die Tiefe stürzen , einer Metamorphose unterzogen, d.h. "umgeschmolzen". Bei dieser Umschmelzung entsteht ein neues metamorphes Gestein, das in die oberen Horizonte der Erdkruste eindringt und wieder in den Stoffkreislauf eintritt. (Reis.).

Leicht mobile Substanzen - Gase und natürliche Wässer, aus denen die Atmosphäre und Hydrosphäre des Planeten bestehen - unterliegen der intensivsten und schnellsten Zirkulation. Das Material der Lithosphäre kreist viel langsamer. Im Allgemeinen ist jeder Kreislauf eines chemischen Elements Teil des allgemeinen großen Kreislaufs von Substanzen auf der Erde, und alle sind eng miteinander verbunden. Die lebende Materie der Biosphäre leistet in diesem Kreislauf hervorragende Arbeit, indem sie die chemischen Elemente, die ständig in der Biosphäre zirkulieren, umverteilt Außenumgebung in Organismen und zurück in die Umwelt.

Kleiner oder biologischer Stoffkreislauf- Das

Stoffkreisläufe zwischen Pflanzen, Tieren, Pilzen, Mikroorganismen und Boden. Die Essenz des biologischen Kreislaufs ist der Fluss zweier entgegengesetzter, aber miteinander verbundener Prozesse - der Entstehung organischer Substanzen und ihrer Zerstörung. Erste Stufe Die Entstehung organischer Substanzen beruht auf der Photosynthese grüner Pflanzen, also der Bildung lebender Materie aus Kohlendioxid, Wasser und einfachen mineralischen Verbindungen durch Sonnenenergie. Pflanzen (Produzenten) extrahieren Moleküle von Schwefel, Phosphor, Kalzium, Kalium, Magnesium, Mangan, Silizium, Aluminium, Zink, Kupfer und anderen Elementen aus dem Boden in einer Lösung. Pflanzenfressende Tiere (Verzehrer erster Ordnung) nehmen Verbindungen dieser Elemente bereits in Form von Nahrung pflanzlichen Ursprungs auf. Raubtiere (Verzehrer zweiter Ordnung) ernähren sich von pflanzenfressenden Tieren und verbrauchen mehr als komplexe Zusammensetzung, einschließlich Proteine, Fette, Aminosäuren und andere Substanzen. Bei der Zerstörung organischer Substanzen abgestorbener Pflanzen und Tierreste durch Mikroorganismen (Zersetzer) in den Boden und aquatische Umgebung einfache mineralische Verbindungen, die für die Pflanzenaufnahme verfügbar sind, treten ein, und die nächste Runde des biologischen Kreislaufs beginnt (Abb. 33).

Die Entstehung und Entwicklung der Noosphäre

Die Evolution der organischen Welt auf der Erde hat mehrere Phasen durchlaufen, von denen die erste mit der Entstehung des biologischen Stoffkreislaufs in der Biosphäre verbunden ist. Die zweite wurde von der Formation begleitet mehrzellige Organismen. Diese beiden Stadien werden Biogenese genannt, das dritte Stadium ist mit dem Erscheinen verbunden menschliche Gesellschaft, unter deren Einfluss modernen Bedingungen es gibt eine Evolution der Biosphäre und ihre Umwandlung in die Sphäre der Geist-Noosphäre (von Gr.-Geist,-Ball). Die Noosphäre ist ein neuer Zustand der Biosphäre, in dem intelligente menschliche Aktivität zum Hauptfaktor wird, der ihre Entwicklung bestimmt. Der Begriff „Noosphäre“ wurde von E. Leroy eingeführt. VI Vernadsky vertiefte und entwickelte die Doktrin der Noosphäre. Er schrieb: „Die Noosphäre ist ein neues geologisches Phänomen auf unserem Planeten. In ihr wird der Mensch zu einer großen geologischen Kraft.“ V. I. Vernadsky hat die notwendigen Voraussetzungen für die Schaffung der Noosphäre herausgegriffen: 1. Die Menschheit ist zu einem einzigen Ganzen geworden 2. Die Möglichkeit des sofortigen Informationsaustauschs 3. Wirkliche Gleichheit der Menschen. 6. Ausschluss von Kriegen aus dem Leben der Gesellschaft. Möglich wird die Schaffung dieser Voraussetzungen durch die Explosion des wissenschaftlichen Denkens im 20. Jahrhundert.

Thema - 6. Natur - Mensch: ein systematischer Ansatz. Ziel der Vorlesung: Bildung einer ganzheitlichen Sicht auf die Systempostulate der Ökologie.

Leitfragen: 1. Der Systembegriff und komplexe Biosysteme 2. Merkmale biologischer Systeme 3. Systempostulate: das Gesetz der universellen Kommunikation, Umweltgesetze B. Commoner, Das Gesetz der großen Zahlen, Le Chateliers Prinzip, Das Gesetz der Rückkopplung in der Natur und das Gesetz der Konstanz der Menge lebender Materie. 4. Modelle der Wechselwirkungen in Systemen " Die Natur ist der Mensch“ und „Mensch-Wirtschaft-Biota-Umwelt“.

ökologisches System- das Hauptobjekt der Ökologie. Die Ökologie ist systemischer Natur und in ihrer theoretischen Form nah dran Allgemeine Theorie Systeme. Nach der allgemeinen Systemtheorie ist ein System eine reale oder denkbare Menge von Teilen, deren integrale Eigenschaften durch die Wechselwirkung zwischen den Teilen (Elementen) des Systems bestimmt werden. Im wirklichen Leben wird ein System als eine Sammlung von Objekten definiert, die durch irgendeine Form von regelmäßiger Interaktion oder gegenseitiger Abhängigkeit zusammengebracht werden, um eine Leistung zu erbringen gegebene Funktion. Im Material gibt es bestimmte Hierarchien – geordnete Sequenzen räumlich-zeitlicher Unterordnung und Komplikation von Systemen. Alle Varietäten unserer Welt lassen sich als drei nacheinander entstandene Hierarchien darstellen. Dies ist die hauptsächliche, natürliche, physikalisch-chemisch-biologische (P, X, B) Hierarchie und zwei auf ihrer Basis entstandene Nebenhierarchien, soziale (S) und technische (T) Hierarchien. Die Existenz des letzteren in seiner Gesamtheit Rückmeldung wirkt sich in gewisser Weise auf die Haupthierarchie aus. Die Kombination von Systemen aus unterschiedlichen Hierarchien führt zu "gemischten" Klassen von Systemen. So führt die Kombination von Systemen aus dem physikalisch-chemischen Teil der Hierarchie (F, X – „Umwelt“) mit lebenden Systemen des biologischen Teils der Hierarchie (B – „Biota“) zu einer sogenannten gemischten Klasse von Systemen ökologisch. Eine Vereinigung von Systemen aus Hierarchien C

("Mensch") und T ("Technik") führt zu einer Klasse von Wirtschafts-, bzw technisch und wirtschaftlich, Systeme.

Reis. . Hierarchien materielle Systeme:

F, X - physikalisch und chemisch, B - biologisch, C - sozial, T - technisch

Es sollte klar sein, dass sich die im Diagramm dargestellte Auswirkung der menschlichen Gesellschaft auf die Natur, vermittelt durch Technologie und Technologie (Technogenese), auf die gesamte Hierarchie der natürlichen Systeme bezieht: den unteren Zweig - zu abiotische Umgebung, oben - zu den Biota der Biosphäre. Im Folgenden betrachten wir die Kontingenz der ökologischen und technischen und wirtschaftlichen Aspekte dieser Wechselwirkung.

Alle Systeme haben einige allgemeine Eigenschaften:

1. Jedes System hat eine spezifische Struktur, bestimmt durch die Form der raumzeitlichen Verbindungen oder Wechselwirkungen zwischen den Elementen des Systems. Strukturelle Ordnung allein bestimmt nicht die Organisation eines Systems. Das System kann aufgerufen werden organisiert wenn seine Existenz entweder notwendig ist, um eine funktionale (bestimmte Arbeit ausführende) Struktur aufrechtzuerhalten, oder im Gegenteil von der Aktivität einer solchen Struktur abhängt.

2. Gemäß das Prinzip der notwendigen Vielfalt das System kann nicht aus identischen Elementen ohne Individualität bestehen. Die untere Grenze der Diversität liegt bei mindestens zwei Elementen (Proton und Elektron, Protein u Nukleinsäure, "er" und "sie"), das obere ist unendlich. Vielfalt ist das wichtigste Informationsmerkmal des Systems. Sie unterscheidet sich von der Anzahl der Elementarten und ist messbar 3. Die Eigenschaften eines Systems lassen sich nicht nur anhand der Eigenschaften seiner Teile erfassen. Entscheidend ist das Zusammenspiel der Elemente. Es ist nicht möglich, die Funktion der Maschine anhand der einzelnen Teile der Maschine vor dem Zusammenbau zu beurteilen. Wenn man einige Formen von Pilzen und Algen separat untersucht, ist es unmöglich, die Existenz ihrer Symbiose in Form einer Flechte vorherzusagen. Die kombinierte Wirkung von zwei oder mehr verschiedenen Faktoren auf einen Organismus unterscheidet sich fast immer von der Summe ihrer getrennten Wirkungen. Der Grad der Irreduzibilität der Eigenschaften des Systems auf die Summe der Eigenschaften der einzelnen Elemente, aus denen es besteht, bestimmt Entstehung Systeme.

4. Allokation des Systems teilt seine Welt in zwei Teile – das System selbst und seine Umgebung. Je nach Vorhandensein (Fehlen) des Stoff-, Energie- und Informationsaustausches mit der Umgebung sind grundsätzlich möglich: isoliert Systeme (kein Umtausch möglich); geschlossen Systeme (unmöglicher Stoffaustausch); offen(Materie- und Energieaustausch ist möglich). Der Energieaustausch bestimmt den Informationsaustausch. In der Natur gibt es nur offene dynamisch Systeme, zwischen interne Elemente die und die Elemente der Umwelt die Übertragung von Stoffen, Energie und Informationen durchführen. Irgendein Lebenssystem- vom Virus bis zur Biosphäre - ist ein offenes dynamisches System.

5. Vorherrschaft interne Wechselwirkungen im System gegenüber externen und die Labilität des Systems gegenüber externen
Handlungen definieren es Selbsterhaltungsfähigkeit dank der Qualitäten der Organisation, Ausdauer und Stabilität. Äußere Einflüsse auf das System, die die Stärke und Flexibilität seiner internen Wechselwirkungen übersteigen, führen zu irreversiblen Veränderungen.
und Tod des Systems. Die Stabilität eines dynamischen Systems wird durch seine kontinuierliche externe zyklische Arbeit aufrechterhalten. Dies erfordert den Fluss und die Umwandlung von Energie in diese. Thema. Wahrscheinlichkeit zu erreichen Hauptziel System - Selbsterhaltung (einschließlich durch Selbstreproduktion) wird als sein definiert mögliche Effizienz.

6. Die Aktion des Systems in der Zeit wird es genannt Verhalten. verursacht externer Faktor Verhaltensänderung ist definiert als Reaktion System, und eine Änderung in der Reaktion des Systems, die mit einer Änderung der Struktur verbunden ist und auf die Stabilisierung des Verhaltens abzielt, als dessen Befestigung, oder Anpassung. Als Konsolidierung der adaptiven Änderungen in der Struktur und den Verbindungen des Systems in der Zeit, in der seine potenzielle Effizienz zunimmt, wird angesehen Entwicklung, oder Evolution, Systeme. Die Entstehung und Existenz aller materiellen Systeme in der Natur ist evolutionär bedingt. Dynamische Systeme entwickeln sich in Richtung von eher wahrscheinlicher zu weniger wahrscheinlicher Organisation, d.h. die entwicklung verläuft entlang dem pfad der komplikation der organisation und Bildung von Subsystemen in der Struktur des Systems. In der Natur sind alle Formen des Systemverhaltens - von elementare Reaktion vor der globalen Evolution - im Wesentlichen nichtlinear. Ein wichtiges Merkmal der Evolution komplexer Systeme ist
Unebenheiten, Mangel an Monotonie. Perioden der allmählichen Anhäufung geringfügiger Änderungen werden manchmal durch scharfe qualitative Sprünge unterbrochen, die die Eigenschaften des Systems erheblich verändern. Sie sind normalerweise mit den sogenannten verbunden Gabelungspunkte- Bifurkation, Aufspaltung des bisherigen Evolutionsweges. Viel hängt von der Wahl der einen oder anderen Fortsetzung des Weges an der Weggabelung ab, bis hin zum Entstehen und Gedeihen einer neuen Welt aus Teilchen, Stoffen, Organismen, Gesellschaften oder umgekehrt zum Tod des Systems. Sogar für Entscheidungssysteme das Wahlergebnis ist oft unvorhersehbar, und die Wahl selbst am Bifurkationspunkt kann auf einen zufälligen Impuls zurückzuführen sein. Irgendein echtes System kann in Form einer materiellen Ähnlichkeit oder eines symbolischen Bildes dargestellt werden, d.h. bzw. Analog oder Vorzeichen Systemmodell. Die Modellierung wird zwangsläufig von einer gewissen Vereinfachung und Formalisierung der Beziehungen im System begleitet. Diese Formalisierung kann sein
umgesetzt in Form von logischen (kausalen) und/oder mathematischen (funktionalen) Zusammenhängen Mit zunehmender Komplexität von Systemen entstehen neue emergente Qualitäten. Zur gleichen Zeit, die Qualitäten von mehr einfache Systeme. Daher nimmt die Gesamtvielfalt der Qualitäten des Systems zu, wenn es komplexer wird (Abb. 2.2).

Reis. 2.2. Änderungsmuster der Eigenschaften von Systemhierarchien mit zunehmender Ebene (nach Fleishman, 1982):

1 – Diversität, 2 – Stabilität, 3 – Emergenz, 4 – Komplexität, 5 – Nichtidentität, 6 – Prävalenz

In der Reihenfolge zunehmender Aktivität gegenüber äußeren Einflüssen können die Eigenschaften des Systems in folgender Reihenfolge geordnet werden: 1 - Stabilität, 2 - Zuverlässigkeit durch Umweltbewusstsein (Störfestigkeit), 3 - Beherrschbarkeit, 4 - Selbst- Organisation. In dieser Reihe ergibt jede nachfolgende Qualität einen Sinn in Gegenwart der vorherigen.

Dampf-Schwierigkeit Systemstruktur wird durch die Anzahl bestimmt P seine Elemente und die Zahl t

Verbindungen zwischen ihnen. Wenn in irgendeinem System die Anzahl privater diskreter Zustände untersucht wird, dann die Komplexität des Systems Mit wird durch den Logarithmus der Anzahl der Anleihen bestimmt:

C=logm.(2.1)

Systeme werden wie folgt bedingt nach Komplexität klassifiziert: 1) Systeme mit bis zu tausend Zuständen (O <С < 3), относятся к einfach; 2) Systeme mit bis zu einer Million Zuständen (3< С < 6), являют собой komplexe Systeme; 3) Systeme mit mehr als einer Million Zuständen (C > 6) werden als identifiziert sehr komplex.

Alle echten natürlichen Biosysteme sind sehr komplex. Selbst in der Struktur eines einzelnen Virus übersteigt die Anzahl biologisch bedeutsamer molekularer Zustände den letztgenannten Wert.

Die Biosphäre der Erde ist in gewisser Weise durch die vorhandenen Stoffkreisläufe und den Energiefluss geprägt. Der Stoffkreislauf ist die wiederholte Beteiligung von Stoffen an den Prozessen, die in der Atmosphäre, Hydrosphäre und Lithosphäre, einschließlich derjenigen Schichten, die Teil der Biosphäre der Erde sind, ablaufen. Die Zirkulation der Materie erfolgt mit der kontinuierlichen Zufuhr von externer Energie von der Sonne und innere Energie Erde.

Innerhalb der Stoffkreisläufe werden je nach Triebkraft geologische (großer Kreislauf), biologische (biogeochemische, kleiner Kreislauf) und anthropogene Kreisläufe unterschieden.

Geologischer Kreislauf (große Stoffkreisläufe in der Biosphäre)

Diese Zirkulation verteilt Materie zwischen der Biosphäre und tieferen Horizonten der Erde um. treibende Kraft Dieser Prozess sind exogene und endogene geologische Prozesse. Endogene Prozesse finden unter dem Einfluss der inneren Energie der Erde statt. Das ist die dabei freigesetzte Energie radioaktiver Zerfall, chemische Reaktionen zur Bildung von Mineralien usw. K endogene Prozesse Dazu gehören zum Beispiel tektonische Bewegungen, Erdbeben. Diese Prozesse führen zur Bildung große Formen Entlastung (Kontinente, Meeresgräben, Berge und Ebenen). Exogene Prozesse laufen unter dem Einfluss der äußeren Energie der Sonne ab. Dazu gehören die geologische Aktivität der Atmosphäre, der Hydrosphäre, lebender Organismen und des Menschen. Diese Prozesse führen zur Glättung großer Landschaftsformen ( Flusstäler, Hügel, Schluchten usw.).

Der geologische Kreislauf dauert Millionen von Jahren und besteht darin, dass Gesteine ​​zerstört werden und Verwitterungsprodukte (auch wasserlösliche Nährstoffe) werden von Wasserströmen in den Weltozean getragen, wo sie Meeresschichten bilden und nur teilweise mit Niederschlägen an Land zurückkehren. Geotektonische Veränderungen, die Absenkungsprozesse der Kontinente und der Anstieg des Meeresbodens, die Bewegung der Meere und Ozeane führen lange Zeit dazu, dass diese Schichten an Land zurückkehren und der Prozess von neuem beginnt. Das Symbol dieses Stoffkreislaufs ist eine Spirale, kein Kreis, denn. der neue Zirkulationskreislauf wiederholt nicht genau den alten, sondern führt etwas Neues ein.

Zu großer Kreislauf bezieht sich auf den Wasserkreislauf (Wasserkreislauf) zwischen Land und Ozean durch die Atmosphäre (Abb. 3.2).

Der Wasserkreislauf als Ganzes prägt maßgeblich die natürlichen Bedingungen auf unserem Planeten. Unter Berücksichtigung der Transpiration von Wasser durch Pflanzen und seiner Aufnahme in den biogeochemischen Kreislauf zerfällt der gesamte Wasservorrat der Erde und wird für 2 Millionen Jahre wiederhergestellt.

Reis. 3. 2. Wasserkreislauf in der Biosphäre.

Im Wasserkreislauf sind alle Teile der Hydrosphäre miteinander verbunden. Daran nehmen jedes Jahr mehr als 500.000 km3 Wasser teil. Treibende Kraft hinter diesem Prozess ist die Sonnenenergie. Wassermoleküle unter der Wirkung Solarenergie erwärmen sich und steigen gasförmig in die Atmosphäre auf (verdunstet täglich - 875 km3 frisches Wasser). Beim Aufsteigen kühlen sie allmählich ab, kondensieren und bilden Wolken. Nach ausreichender Abkühlung geben die Wolken Wasser in Form verschiedener Niederschläge ab, die in den Ozean zurückfallen. Wasser, das auf den Boden gefallen ist, kann zwei folgen verschiedene Wege: entweder im Boden versickern (Infiltration) oder abfließen (Oberflächenabfluss). An der Oberfläche fließt Wasser in Bäche und Flüsse, die zum Ozean oder zu anderen Orten führen, an denen Verdunstung stattfindet. In den Boden aufgenommenes Wasser kann in seinen oberen Schichten (Horizonten) zurückgehalten und durch Transpiration an die Atmosphäre zurückgegeben werden. Solches Wasser wird als Kapillare bezeichnet. Wasser, das durch die Schwerkraft weggetragen wird und durch die Poren und Ritzen sickert, wird Gravitationswasser genannt. Gravitationswasser sickert in eine undurchdringliche Gesteinsschicht oder dichten Ton und füllt alle Hohlräume. Solche Reserven werden als Grundwasser bezeichnet, und ihre Obergrenze wird als Pegel bezeichnet. Grundwasser. Als Aquifere werden unterirdische Gesteinsschichten bezeichnet, durch die das Grundwasser langsam fließt. Unter dem Einfluss der Schwerkraft bewegt sich Grundwasser entlang des Aquifers, bis es einen „Ausweg“ findet (z. B. natürliche Quellen bilden, die Seen, Flüsse, Teiche speisen, d.h. Teil davon werden Oberflächenwasser). Somit umfasst der Wasserkreislauf drei Hauptkreisläufe: Oberflächenabfluss, Verdunstung-Transpiration, Grundwasser. Jährlich sind mehr als 500.000 km3 Wasser am Wasserkreislauf der Erde beteiligt und prägen die natürlichen Verhältnisse maßgeblich mit.

Biologische (biogeochemische) Zirkulation

(geringe Stoffkreisläufe in der Biosphäre)

Die treibende Kraft des biologischen Stoffkreislaufs ist die Aktivität lebender Organismen. Sie ist Teil eines größeren und findet innerhalb der Biosphäre auf Ökosystemebene statt. Ein kleiner Kreislauf besteht darin, dass sich Nährstoffe, Wasser und Kohlenstoff in Pflanzen (Autotrophen) ansammeln, für den Aufbau von Körpern und Lebensvorgängen verbraucht werden, sowohl Pflanzen als auch andere Organismen (normalerweise Tiere - Heterotrophe), die diese Pflanzen fressen. Die Zersetzungsprodukte organischer Stoffe unter Einwirkung von Destruktoren und Mikroorganismen (Bakterien, Pilze, Würmer) zerfallen wieder zu mineralischen Bestandteilen. Diese anorganischen Substanzen können für die Synthese organischer Substanzen durch Autotrophe wiederverwendet werden.

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

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

Kreisel Gasart mit Stoffreserven in Atmosphäre und Hydrosphäre (Kohlenstoff-, Sauerstoff-, Stickstoffkreisläufe).

Kreisläufe vom Sedimenttyp mit einem Reservefonds in der Erdkruste (Zirkulationen von Phosphor, Kalzium, Eisen usw.).

Zyklen des Gastyps mit einem großen Austauschfonds sind perfekter. Und außerdem sind sie in der Lage, sich schnell selbst zu regulieren. Zyklen vom Sedimenttyp sind weniger perfekt, sie sind inerter, da der Großteil der Materie im Reservefonds der Erdkruste in einer Form enthalten ist, die für lebende Organismen unzugänglich ist. Solche Kreisläufe werden leicht durch verschiedene Einflüsse gestört, und ein Teil des ausgetauschten Materials verlässt den Kreislauf. Es kann nur durch geologische Prozesse oder durch Entnahme durch lebende Materie wieder in den Kreislauf zurückkehren.

Die Intensität des biologischen Kreislaufs wird durch die Umgebungstemperatur und die Wassermenge bestimmt. Beispielsweise läuft der biologische Kreislauf bei Nässe intensiver ab Tropenwälder als in der Tundra.

Kreisläufe der wichtigsten biogenen Stoffe und Elemente

Der Kohlenstoffkreislauf

Alles Leben auf der Erde basiert auf Kohlenstoff. Jedes Molekül eines lebenden Organismus ist auf der Grundlage eines Kohlenstoffskeletts aufgebaut. Ständig wandern Kohlenstoffatome von einem Teil der Biosphäre zum anderen (Abb. 3. 3.).

Reis. 3. 3. Kohlenstoffkreislauf.

Die wichtigsten Kohlenstoffreserven auf der Erde sind Kohlendioxid (CO2), das in der Atmosphäre enthalten und in den Ozeanen gelöst ist. Pflanzen nehmen während der Photosynthese Kohlendioxidmoleküle auf. Dadurch wird das Kohlenstoffatom in eine Vielzahl organischer Verbindungen umgewandelt und somit in den Aufbau von Pflanzen eingebunden. Im Folgenden finden Sie mehrere Optionen:

Kohlenstoffreste in Pflanzen ® Pflanzenmoleküle werden von Zersetzern (Organismen, die sich von toter organischer Substanz ernähren und diese gleichzeitig zu einfachen abbauen) gefressen Anorganische Verbindungen) ® Kohlenstoff wird als CO2 in die Atmosphäre zurückgeführt;

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

· Pflanzen werden nach dem Absterben zu fossilen Brennstoffen (z. B. zu Kohle) ® Kohlenstoff wird nach Brennstoffnutzung, Vulkanausbrüchen und anderen geothermischen Prozessen wieder in die Atmosphäre abgegeben.

Bei Auflösung des ursprünglichen CO2-Moleküls in Meerwasser Es sind auch mehrere Optionen möglich: Kohlendioxid kann einfach in die Atmosphäre zurückkehren (diese Art des gegenseitigen Gasaustauschs zwischen den Ozeanen und der Atmosphäre findet ständig statt); Kohlenstoff kann in das Gewebe von Meerespflanzen oder -tieren eindringen, sammelt sich dann allmählich in Form von Sedimenten auf dem Grund der Ozeane an und verwandelt sich schließlich in Kalkstein oder gelangt aus den Sedimenten wieder ins Meerwasser.

Die CO2-Zyklusrate beträgt etwa 300 Jahre.

Eingriffe des Menschen in den Kohlenstoffkreislauf (Verbrennung von Kohle, Öl, Gas, Entfeuchtung) führen zu einer Erhöhung des CO2-Gehaltes in der Atmosphäre und der Entwicklung Treibhauseffekt. Gegenwärtig ist die Untersuchung des Kohlenstoffkreislaufs zu einer wichtigen Aufgabe für Wissenschaftler geworden, die sich mit der Erforschung der Atmosphäre befassen.

Sauerstoffkreislauf

Sauerstoff ist das häufigste Element auf der Erde (Meerwasser enthält 85,82 % Sauerstoff, atmosphärische Luft 23,15 %, in der Erdkruste 47,2 %). Sauerstoffverbindungen sind für die Aufrechterhaltung des Lebens unverzichtbar (sie spielen eine wichtige Rolle bei Stoffwechselprozessen und Atmung, sind Bestandteil von Proteinen, Fetten, Kohlenhydraten, aus denen Organismen „gebaut“ sind). Hauptmasse Sauerstoff ist drin gebundener Zustand(Die Menge an molekularem Sauerstoff in der Atmosphäre beträgt nur 0,01 % allgemeiner Inhalt Sauerstoff in der Erdkruste).

Da Sauerstoff in vielen gefunden wird Chemische Komponenten, ist seine Zirkulation in der Biosphäre sehr komplex und findet hauptsächlich zwischen der Atmosphäre und lebenden Organismen statt. Die Sauerstoffkonzentration in der Atmosphäre wird durch Photosynthese aufrechterhalten, wodurch grüne Pflanzen unter dem Einfluss von Sonnenlicht Kohlendioxid und Wasser in Kohlenhydrate und Sauerstoff umwandeln. Der Großteil des Sauerstoffs wird von Landpflanzen produziert – fast ¾, der Rest – von photosynthetischen Organismen der Ozeane. Eine starke Sauerstoffquelle ist die photochemische Zersetzung von Wasserdampf in der oberen Atmosphäre unter dem Einfluss von ultraviolette Strahlung Sonne. Darüber hinaus bildet Sauerstoff den wichtigsten Kreislauf, da er Teil des Wassers ist. Unter dem Einfluss von ultravioletter Strahlung wird aus Ozon eine geringe Menge Sauerstoff gebildet.

Die Sauerstoffzyklusrate beträgt etwa 2000 Jahre.

Abholzung, Bodenerosion, diverse Minenarbeiten an der Oberfläche reduzieren die Gesamtmasse der Photosynthese und verringern den Sauerstoffkreislauf großflächig. Darüber hinaus werden jährlich 25 % des durch Assimilation erzeugten Sauerstoffs für den industriellen und häuslichen Bedarf verbraucht.

Stickstoffkreislauf

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

Reis. 3. 4. Stickstoffkreislauf.

Stickstoff ist enthalten Erdatmosphäre ungebunden in der Form zweiatomige Moleküle(ca. 78 % des Gesamtvolumens der Atmosphäre ist Stickstoff). Darüber hinaus kommt Stickstoff in Pflanzen und Tieren in Form von Proteinen vor. Pflanzen synthetisieren Proteine, indem sie Nitrate aus dem Boden aufnehmen. Nitrate werden dort aus Luftstickstoff und im Boden vorhandenen Ammoniumverbindungen gebildet. Der Prozess der Umwandlung von atmosphärischem Stickstoff in eine für Pflanzen und Tiere nutzbare Form wird als Stickstofffixierung bezeichnet. Wenn organisches Material verrottet, wird ein erheblicher Teil des darin enthaltenen Stickstoffs zu Ammoniak, das dann unter dem Einfluss von im Boden lebenden nitrifizierenden Bakterien zu Ammoniak oxidiert wird. Salpetersäure. Diese Säure reagiert mit Karbonaten im Boden (z. B. Kalziumkarbonat CaCO3) und bildet Nitrate. Ein Teil des Stickstoffs wird beim Zerfall immer in freier Form in die Atmosphäre freigesetzt. Außerdem wird bei der Verbrennung von organischen Stoffen, bei der Verbrennung von Brennholz, harte Kohle, Torf. Darüber hinaus gibt es Bakterien, die bei unzureichendem Luftzugang Sauerstoff aus Nitraten aufnehmen und diese unter Freisetzung von freiem Stickstoff zerstören können. Die Aktivität denitrifizierender Bakterien führt dazu, dass ein Teil des Stickstoffs aus der für Grünpflanzen verfügbaren Form (Nitrate) unzugänglich wird (freier Stickstoff). Somit kehrt bei weitem nicht der gesamte Stickstoff, der Teil der abgestorbenen Pflanzen war, in den Boden zurück (ein Teil davon wird nach und nach in freier Form freigesetzt).

Zu den Prozessen, die den Stickstoffverlust kompensieren, gehören zunächst die in der Atmosphäre ablaufenden elektrische Entladungen, bei der immer eine gewisse Menge an Stickoxiden gebildet wird (letztere ergeben mit Wasser Salpetersäure, die im Boden zu Nitraten wird). Eine weitere Quelle für den Nachschub an Stickstoffverbindungen im Boden ist die lebensnotwendige Aktivität der sogenannten Azotobakterien, die in der Lage sind, Luftstickstoff aufzunehmen. Einige dieser Bakterien siedeln sich an den Wurzeln von Pflanzen aus der Familie der Hülsenfrüchte an und verursachen die Bildung charakteristischer Schwellungen - Knötchen. Knötchenbakterien, die atmosphärischen Stickstoff assimilieren, verarbeiten ihn zu Stickstoffverbindungen, und Pflanzen wandeln diese wiederum in Proteine ​​und andere komplexe Substanzen um. Somit findet in der Natur ein kontinuierlicher Stickstoffkreislauf statt.

Da jedes Jahr mit der Ernte die proteinreichsten Pflanzenteile (z. B. Getreide) von den Feldern entfernt werden, „muss“ der Boden Düngemittel ausbringen, die den Verlust in ihm ausgleichen. wesentliche Elemente Pflanzenernährung. Die Hauptverwendungen sind Calciumnitrat (Ca(NO)2), Ammoniumnitrat (NH4NO3), Natriumnitrat (NANO3) und Kaliumnitrat (KNO3). Außerdem werden anstelle von chemischen Düngemitteln die Pflanzen selbst aus der Familie der Hülsenfrüchte verwendet. Wird zu viel künstlicher Stickstoffdünger auf den Boden ausgebracht, gelangen auch Nitrate in den menschlichen Körper, wo sie sich in Nitrite umwandeln können, die hochgiftig sind und Krebs verursachen können.

Phosphorkreislauf

Der Großteil des Phosphors ist in Gesteinen enthalten, die in vergangenen Erdepochen entstanden sind. Der Phosphorgehalt in der Erdkruste beträgt 8 - 10 bis 20 % (nach Gewicht) und kommt hier in Form von Mineralien (Fluorapatit, Chlorapatit usw.) vor, die Teil natürlicher Phosphate - Apatite und Phosphorite - sind. Durch Gesteinsverwitterung kann Phosphor in den biogeochemischen Kreislauf gelangen. Erosionsprozesse tragen Phosphor in Form des Minerals Apatit ins Meer. Bei der Umwandlung von Phosphor große Rolle gespielt von lebenden Organismen. Organismen extrahieren Phosphor aus Böden und Wasserlösungen. Darüber hinaus wird Phosphor durch die Nahrungsketten übertragen. Mit dem Absterben von Organismen gelangt Phosphor zurück in den Boden und in den Schlick der Meere und wird in Form von marinen Phosphatablagerungen angereichert, was wiederum Bedingungen für die Entstehung von phosphorreichen Gesteinen schafft (Abb. 3.5. ).

Reis. 3.5. Der Phosphorkreislauf in der Biosphäre (nach P. Duvigno, M. Tang, 1973; mit Änderungen).

Beim falsche Anwendung Phosphatdünger wird durch Wasser- und Winderosion (Zerstörung unter Einwirkung von Wasser oder Wind) dem Boden eine große Menge Phosphor entzogen. Dies führt einerseits zu einem übermäßigen Verbrauch von Phosphordünger und zur Erschöpfung phosphorhaltiger Erze.

Andererseits ist ein erhöhter Gehalt an Phosphor in Wasserstraßen seine Übertragung bewirkt eine schnelle Zunahme der Biomasse von Wasserpflanzen, ein "Aufblühen von Stauseen" und deren Eutrophierung (Anreicherung mit Nährstoffen).

Da Pflanzen in erheblichem Umfang Phosphor aus dem Boden verschleppen und die natürliche Nachreicherung von Phosphorverbindungen im Boden äußerst unbedeutend ist, ist die Ausbringung von Phosphordünger auf den Boden eine der wichtigsten Maßnahmen zur Steigerung der Produktivität. Weltweit werden jährlich etwa 125 Millionen Tonnen abgebaut. Phosphaterz. Der größte Teil davon wird für die Herstellung von Phosphatdünger ausgegeben.

Schwefelkreislauf

Die Hauptreserven an Schwefel befinden sich in Sedimenten, im Boden und in der Atmosphäre. Hauptrolle an der Beteiligung von Schwefel am biogeochemischen Kreislauf gehört zu den Mikroorganismen. Einige von ihnen sind Reduktionsmittel, andere Oxidationsmittel (Abb. 3. 6.).

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

In der Natur drin in großen Zahlen bekannt sind verschiedene Sulfide von Eisen, Blei, Zink usw. Sulfidschwefel wird in der Biosphäre zu Sulfatschwefel oxidiert. Sulfate werden von Pflanzen aufgenommen. In lebenden Organismen ist Schwefel Bestandteil von Aminosäuren und Proteinen, in Pflanzen außerdem Bestandteil von ätherischen Ölen usw. Die Zerstörungsprozesse der Überreste von Organismen in Böden und im Schlick der Meere werden von komplexen Schwefelumwandlungen begleitet (Mikroorganismen bilden zahlreiche Schwefelzwischenverbindungen). Nach dem Absterben lebender Organismen wird ein Teil des Schwefels im Boden durch Mikroorganismen zu H2S reduziert, der andere Teil zu Sulfaten oxidiert und wieder in den Kreislauf aufgenommen. In der Atmosphäre gebildeter Schwefelwasserstoff wird oxidiert und mit Niederschlägen in den Boden zurückgeführt. Darüber hinaus kann Schwefelwasserstoff "sekundäre" Sulfide neu bilden, und Sulfatschwefel erzeugt Gips. Im Gegenzug werden Sulfide und Gips wieder zerstört, und Schwefel nimmt seine Wanderung wieder auf.

Außerdem wird Schwefel in Form von SO2, SO3, H2S und elementarem Schwefel von Vulkanen in die Atmosphäre emittiert.

Der Schwefelkreislauf kann durch menschliches Eingreifen gestört werden. Grund dafür ist die Verbrennung von Kohle und Emissionen aus der chemischen Industrie, wodurch Schwefeldioxid entsteht, das die Prozesse der Photosynthese stört und zum Absterben der Vegetation führt.

Somit sorgen biogeochemische Kreisläufe für die Homöostase der Biosphäre. Sie unterliegen jedoch weitgehend menschlichem Einfluss. Und eine der stärksten umweltschädlichen Aktionen einer Person ist mit der Verletzung und sogar Zerstörung natürlicher Kreisläufe verbunden (sie werden azyklisch).

Anthropogener Kreislauf

Die treibende Kraft des anthropogenen Kreislaufs ist die menschliche Aktivität. Dieser Zyklus umfasst zwei Komponenten: biologische, verbunden mit dem Funktionieren einer Person als lebendem Organismus, und technische, verbunden mit Wirtschaftstätigkeit von Leuten. Der anthropogene Kreislauf ist im Gegensatz zu den geologischen und biologischen Kreisläufen nicht geschlossen. Diese Offenheit verursacht die Erschöpfung natürlicher Ressourcen und die Verschmutzung der natürlichen Umwelt.

Ein großer geologischer Kreislauf von Mineralstoffen und Wasser läuft unter dem Einfluss einer Vielzahl abiotischer Faktoren ab.

4.3.1. Zirkulation von Stoffen in einem großen geologischen Kreislauf.

Nach der Theorie der Lithosphärenplatten besteht die äußere Hülle der Erde aus mehreren sehr großen Blöcken (Platten). Diese Theorie geht von der Existenz horizontaler Bewegungen mächtiger Lithosphärenplatten mit einer Dicke von 100-150 km aus.

Gleichzeitig entsteht innerhalb der mittelozeanischen Rücken die sogenannte Riftzone. Es kommt zu einem Bruch und einer Trennung von Lithosphärenplatten mit der Bildung einer jungen ozeanischen Kruste

Dieses Phänomen wird als Ausbreitung des Meeresbodens bezeichnet. So steigt ein Strom mineralischer Substanzen aus den Tiefen des Mantels auf und bildet junge kristalline Gesteine.

Im Gegensatz zu diesem Prozess wird in der Zone der Tiefseegräben ein Teil der kontinentale Kruste zu einem anderen, der mit dem Eintauchen des peripheren Teils der Platte in den Mantel einhergeht, d. H. Teil feste Materie Die Erdkruste wird Teil des Erdmantels. Der Prozess, der in ozeanischen Tiefseegräben abläuft, wird als Subduktion der ozeanischen Kruste bezeichnet.

Der Wasserkreislauf auf dem Planeten läuft kontinuierlich und überall. Triebkräfte des Wasserkreislaufs Wärmeenergie und Schwerkraft. Unter dem Einfluss von Wärme kommt es zu Verdunstung, Kondensation von Wasserdampf und anderen Prozessen, die etwa 50% der von der Sonne stammenden Energie verbrauchen. Unter dem Einfluss der Schwerkraft - das Fallen von Regentropfen, das Fließen von Flüssen, die Bewegung von Boden und Grundwasser. Oft wirken diese Ursachen zusammen, zum Beispiel wirken sowohl thermische Prozesse als auch die Schwerkraft auf die atmosphärische Wasserzirkulation.

4.3.2. Der Kreislauf der Elemente in der unbelebten Natur

Es wird auf zwei Arten durchgeführt: Wasser- und Luftmigration. Zu den Luftmigranten gehören: Sauerstoff, Wasserstoff, Stickstoff, Jod.

Zu den Wassermigranten zählen jene Stoffe, die hauptsächlich in Böden, Oberflächen- und Grundwasser hauptsächlich in Form von Molekülen und Ionen wandern: Natrium, Magnesium, Aluminium, Silizium, Phosphor, Schwefel, Chlor, Kalium, Mangan, Eisen, Kobalt, Nickel, Strontium. Blei usw. Luftmigranten sind auch Teil der Salze, die ins Wasser wandern. Typisch für sie ist jedoch die Luftmigration.

4.4 Kleiner (biologischer) Kreislauf

Die Masse der lebenden Materie in der Biosphäre ist relativ gering. Wird es über die Erdoberfläche verteilt, so ergibt sich eine Schicht von nur 1,5 cm Tabelle 4.1 vergleicht einige quantitative Merkmale der Biosphäre und anderer Geosphären der Erde. Die Biosphäre, die weniger als 10-6 Massen anderer Hüllen des Planeten ausmacht, hat eine unvergleichlich größere Vielfalt und erneuert ihre Zusammensetzung millionenfach schneller.

Tabelle 4.1

Vergleich der Biosphäre mit anderen Geosphären der Erde

*Lebendsubstanz bezogen auf das Lebendgewicht

4.4.1. Funktionen der Biosphäre

Dank der Biota der Biosphäre wird der überwiegende Teil der chemischen Umwandlungen auf dem Planeten durchgeführt. Daher das Urteil von V.I. Vernadsky über die enorme transformative geologische Rolle der lebenden Materie. Für organische Entwicklung lebende Organismen tausendmal (für verschiedene Zyklen von 103 bis 105 mal) durch sich selbst, durch ihre Organe, Gewebe, Zellen, Blut, die gesamte Atmosphäre, das gesamte Volumen des Weltozeans gegangen sind, die meisten Massen von Böden, eine riesige Masse von mineralischen Substanzen. Und sie haben es nicht nur versäumt, sondern auch die irdische Umwelt nach ihren Bedürfnissen modifiziert.

Dank der Fähigkeit, Sonnenenergie in die Energie chemischer Bindungen umzuwandeln, erfüllen Pflanzen und andere Organismen eine Reihe grundlegender biogeochemischer Funktionen auf planetarischer Ebene.

Gasfunktion. Lebewesen tauschen bei Photosynthese und Atmung ständig Sauerstoff und Kohlendioxid mit der Umwelt aus. Pflanzen spielten eine entscheidende Rolle beim Wechsel von einem reduzierenden zu einem oxidierenden Milieu in der geochemischen Entwicklung des Planeten und bei der Bildung der Gaszusammensetzung der modernen Atmosphäre. Pflanzen kontrollieren streng die Konzentrationen von O2 und CO2, die für die Gesamtheit aller modernen Lebewesen optimal sind.

Konzentrationsfunktion. Durch deinen Körper gehen große Mengen Luft und natürlichen Lösungen führen lebende Organismen biogene Wanderungen durch (Bewegung Chemikalien) und Konzentration chemischer Elemente und ihrer Verbindungen. Dies gilt für die organische Biosynthese, die Bildung von Koralleninseln, den Bau von Schalen und Skeletten, das Auftreten von Sedimentkalkschichten, Ablagerungen bestimmter Metallerze, die Ansammlung von Eisen-Mangan-Knollen, auf dem Meeresboden usw. Die frühen Stadien der biologischen Evolution fand in der aquatischen Umwelt statt. Organismen haben gelernt, die benötigten Substanzen aus einer verdünnten wässrigen Lösung zu extrahieren und ihre Konzentration in ihrem Körper um ein Vielfaches zu vervielfachen.

Die Redoxfunktion lebender Materie steht in engem Zusammenhang mit der biogenen Wanderung von Elementen und der Anreicherung von Stoffen. Viele Substanzen in der Natur sind stabil und werden unter normalen Bedingungen nicht oxidiert, beispielsweise ist molekularer Stickstoff eines der wichtigsten biogenen Elemente. Aber lebende Zellen haben so starke Katalysatoren – Enzyme, dass sie viele Redoxreaktionen millionenfach schneller durchführen können, als sie in einer abiotischen Umgebung stattfinden können.

Informationsfunktion der lebenden Materie der Biosphäre. Mit dem Aufkommen der ersten primitiven Lebewesen tauchten aktive („lebende“) Informationen auf dem Planeten auf, die sich von den „toten“ Informationen unterscheiden, die eine einfache Widerspiegelung der Struktur sind. Es stellte sich heraus, dass Organismen in der Lage sind, Informationen zu erhalten, indem sie den Energiefluss mit einer aktiven molekularen Struktur verbinden, die die Rolle eines Programms spielt. Die Fähigkeit, molekulare Informationen wahrzunehmen, zu speichern und zu verarbeiten, hat in der Natur eine fortgeschrittene Evolution durchlaufen und ist zum wichtigsten ökologischen systembildenden Faktor geworden. Gesamtbestand genetische Information biota wird auf 1015 Bit geschätzt. Die Gesamtleistung des molekularen Informationsflusses, der mit dem Stoffwechsel und der Energie in allen Zellen der globalen Biota verbunden ist, erreicht 1036 Bit/s (Gorshkov et al., 1996).

4.4.2. Bestandteile des biologischen Kreislaufs.

Der biologische Kreislauf vollzieht sich zwischen allen Bestandteilen der Biosphäre (dh zwischen Boden, Luft, Wasser, Tieren, Mikroorganismen etc.). Es tritt unter obligatorischer Beteiligung lebender Organismen auf.

Sonnenstrahlung, die die Biosphäre erreicht, trägt eine Energie von etwa 2,5 * 1024 J pro Jahr. Nur 0,3 % davon werden bei der Photosynthese direkt in Energie umgewandelt. chemische Bindungen organisches Material, d.h. am biologischen Kreislauf beteiligt. Und 0,1 - 0,2 % der auf die Erde fallenden Sonnenenergie erweist sich als rein eingeschlossen Primärproduktion. Das weitere Schicksal dieser Energie ist mit der Übertragung organischer Nahrungsstoffe entlang der Kaskaden trophischer Ketten verbunden.

Der biologische Kreislauf kann bedingt in zusammenhängende Komponenten unterteilt werden: den Stoffkreislauf und den Energiekreislauf.

4.4.3. Energiekreislauf. Energieumwandlung in der Biosphäre

Ein Ökosystem kann als eine Ansammlung lebender Organismen beschrieben werden, die kontinuierlich Energie, Materie und Informationen austauschen. Energie kann als die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten, definiert werden. Die Eigenschaften von Energie, einschließlich der Energiebewegung in Ökosystemen, werden durch die Gesetze der Thermodynamik beschrieben.

Der erste Hauptsatz der Thermodynamik oder der Energieerhaltungssatz besagt, dass Energie nicht verschwindet und nicht neu entsteht, sondern nur von einer Form in eine andere übergeht.

Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass in geschlossenes System Die Entropie kann nur zunehmen. In Bezug auf Energie in Ökosystemen ist folgende Formulierung bequem: Die mit der Energieumwandlung verbundenen Prozesse können nur dann spontan ablaufen, wenn die Energie von einer konzentrierten Form in eine diffuse übergeht, also abgebaut wird. Ein Maß für die Energiemenge, die für die Verwendung nicht mehr verfügbar ist, oder ansonsten ein Maß für die Änderung der Reihenfolge, die auftritt, wenn Energie abgebaut wird, ist die Entropie. Je höher die Ordnung des Systems ist, desto geringer ist seine Entropie.

Mit anderen Worten, lebende Materie empfängt und wandelt die Energie des Kosmos, der Sonne, in die Energie irdischer Prozesse (chemisch, mechanisch, thermisch, elektrisch) um. Es bezieht diese Energie und anorganische Materie in die kontinuierliche Zirkulation von Stoffen in der Biosphäre ein. Der Energiefluss in der Biosphäre hat eine Richtung – von der Sonne über Pflanzen (Autotrophe) zu Tieren (Heterotrophe). Natürliche unberührte Ökosysteme in einem stabilen Zustand mit konstanten wichtigen Umweltindikatoren (Homöostase) sind die geordnetsten Systeme und zeichnen sich durch die geringste Entropie aus.

4.4.4. Der Stoffkreislauf der Natur

Die Bildung lebender Materie und ihre Zersetzung sind zwei Seiten eines einzigen Prozesses, der als biologischer Kreislauf der chemischen Elemente bezeichnet wird. Leben ist die Zirkulation chemischer Elemente zwischen Organismen und der Umwelt.

Der Grund für den Kreislauf ist die Begrenztheit der Elemente, aus denen die Körper der Organismen aufgebaut sind. Jeder Organismus entzieht der Umwelt die zum Leben notwendigen Stoffe und kehrt ungenutzt zurück. Dabei:

einige Organismen verbrauchen Mineralien direkt aus der Umwelt;

andere verwenden zuerst verarbeitete und isolierte Produkte;

der dritte - der zweite usw., bis die Substanzen in ihrem ursprünglichen Zustand in die Umwelt zurückkehren.

In der Biosphäre ist die Notwendigkeit der Koexistenz verschiedener Organismen, die die Abfallprodukte der anderen nutzen können, offensichtlich. Wir sehen eine praktisch abfallfreie biologische Produktion.

Der Stoffkreislauf lebender Organismen lässt sich bedingt auf vier Prozesse zurückführen:

1. Photosynthese. Als Ergebnis der Photosynthese absorbieren und akkumulieren Pflanzen Sonnenenergie und synthetisieren organische Substanzen - primäre biologische Produkte - und Sauerstoff aus anorganischen Substanzen. Biologische Primärprodukte sind sehr vielfältig - sie enthalten Kohlenhydrate (Glucose), Stärke, Ballaststoffe, Proteine, Fette.

Das Schema der Photosynthese des einfachsten Kohlenhydrats (Glucose) hat das folgende Schema:

Dieser Prozess findet nur tagsüber statt und geht mit einer Zunahme der Pflanzenmasse einher.

Auf der Erde werden jährlich etwa 100 Milliarden Tonnen organisches Material durch Photosynthese gebildet, etwa 200 Milliarden Tonnen Kohlendioxid assimiliert und etwa 145 Milliarden Tonnen Sauerstoff freigesetzt.

Die Photosynthese spielt eine entscheidende Rolle bei der Sicherung des Lebens auf der Erde. Ihre weltweite Bedeutung erklärt sich daraus, dass die Photosynthese der einzige Prozess ist, bei dem Energie im thermodynamischen Prozess nach dem minimalistischen Prinzip nicht abgebaut, sondern angesammelt wird.

Durch die Synthese der für den Aufbau von Proteinen notwendigen Aminosäuren können Pflanzen relativ unabhängig von anderen lebenden Organismen existieren. Dies manifestiert die Autotrophie von Pflanzen (Selbstversorgung in der Ernährung). Gleichzeitig sind die grüne Masse der Pflanzen und der bei der Photosynthese gebildete Sauerstoff die Grundlage für die Aufrechterhaltung des Lebens der nächsten Gruppe lebender Organismen - Tiere, Mikroorganismen. Dies zeigt die Heterotrophie dieser Gruppe von Organismen.

2. Atmung. Der Prozess ist die Umkehrung der Photosynthese. Kommt in allen lebenden Zellen vor. Beim Atmen organische Materie durch Sauerstoff oxidiert, dabei werden Kohlendioxid, Wasser und Energie freigesetzt.

3. Ernährungs-(trophische) Beziehungen zwischen autotrophen und heterotrophen Organismen. BEIM dieser Fall Entlang der Glieder der Nahrungskette findet ein Energie- und Stofftransfer statt, auf den wir bereits näher eingegangen sind.

4. Der Prozess der Transpiration. Einer der wichtigsten Prozesse im biologischen Kreislauf.

Schematisch lässt es sich wie folgt beschreiben. Pflanzen nehmen Bodenfeuchtigkeit über ihre Wurzeln auf. Gleichzeitig dringen in Wasser gelöste Mineralstoffe ein, die absorbiert werden, und Feuchtigkeit verdunstet je nach Umgebungsbedingungen mehr oder weniger intensiv.

4.4.5. Biogeochemische Kreisläufe

Geologische und biologische Kreisläufe sind miteinander verbunden – sie existieren als ein einziger Prozess, der Stoffkreisläufe hervorruft, die sogenannten biogeochemischen Kreisläufe (BGCC). Dieser Elementkreislauf ist auf den Auf- und Abbau organischer Substanzen im Ökosystem zurückzuführen (Abb. 4.1) An BHCC sind nicht alle Elemente der Biosphäre beteiligt, sondern nur biogene. Lebende Organismen bestehen aus ihnen, diese Elemente gehen zahlreiche Reaktionen ein und nehmen an den Prozessen teil, die in lebenden Organismen ablaufen. Die Gesamtmasse der lebenden Materie der Biosphäre besteht prozentual aus folgenden biogenen Hauptelementen: Sauerstoff - 70%, Kohlenstoff - 18%, Wasserstoff - 10,5%, Kalzium - 0,5%, Kalium - 0,3%, Stickstoff - 0 , 3%, (Sauerstoff, Wasserstoff, Stickstoff, Kohlenstoff sind in allen Landschaften vorhanden und sind die Grundlage lebender Organismen - 98%).

Essenz der biogenen Migration chemischer Elemente.

In der Biosphäre gibt es also einen biogenen Stoffkreislauf (dh einen durch die Lebenstätigkeit von Organismen verursachten Kreislauf) und einen unidirektionalen Energiefluss. Die biogene Migration chemischer Elemente wird hauptsächlich durch zwei gegensätzliche Prozesse bestimmt:

1. Die Bildung lebender Materie aus den Elementen der Umwelt durch Sonnenenergie.

2. Die Zerstörung organischer Substanzen, begleitet von der Freisetzung von Energie. Gleichzeitig dringen Elemente mineralischer Substanzen wiederholt in lebende Organismen ein, wodurch sie in die Zusammensetzung komplexer organischer Verbindungen und Formen eingehen und dann, wenn diese zerstört werden, wieder eine mineralische Form annehmen.

Es gibt Elemente, die Teil lebender Organismen sind, aber nicht mit biogenen verwandt sind. Solche Elemente werden nach ihrem Gewichtsanteil in Organismen klassifiziert:

Makronährstoffe - Bestandteile von mindestens 10-2% der Masse;

Spurenelemente - Komponenten von 9 * 10-3 bis 1 * 10-3% der Masse;

Ultramikroelemente - weniger als 9 * 10-6% der Masse;

Um den Platz biogener Elemente unter anderen chemischen Elementen der Biosphäre zu bestimmen, betrachten wir die in der Ökologie angenommene Klassifizierung. Entsprechend der Aktivität, die in den in der Biosphäre ablaufenden Prozessen gezeigt wird, werden alle chemischen Elemente in 6 Gruppen eingeteilt:

Die Edelgase sind Helium, Neon, Argon, Krypton, Xenon. Edelgase sind kein Bestandteil lebender Organismen.

Edelmetalle - Ruthenium, Radium, Palladium, Osmium, Iridium, Platin, Gold. Diese Metalle gehen in der Erdkruste fast keine Verbindungen ein.

Zyklische oder biogene Elemente (sie werden auch als wandernd bezeichnet). Diese Gruppe biogener Elemente in der Erdkruste macht 99,7% der Gesamtmasse aus und die restlichen 5 Gruppen - 0,3%. Somit sind die meisten Elemente Migranten, die in der geografischen Hülle zirkulieren, und einige der inerten Elemente sind sehr klein.

Streuelemente, gekennzeichnet durch das Vorherrschen freier Atome. Sie gehen chemische Reaktionen ein, aber ihre Verbindungen kommen selten in der Erdkruste vor. Sie werden in zwei Untergruppen unterteilt. Die ersten - Rubidium, Cäsium, Niob, Tantal - bilden Verbindungen in den Tiefen der Erdkruste und an der Oberfläche ihrer Mineralien werden sie zerstört. Die zweiten - Jod, Brom - reagieren nur an der Oberfläche.

Radioaktive Elemente - Polonium, Radon, Radium, Uran, Neptunium, Plutonium.

Seltenerdelemente - Yttrium, Samarium, Europium, Thulium usw.

Das ganze Jahr über setzen biochemische Kreisläufe etwa 480 Milliarden Tonnen Materie in Bewegung.

IN UND. Vernadsky formulierte drei biogeochemische Prinzipien, die das Wesen der biogenen Migration chemischer Elemente erklären:

Die biogene Migration chemischer Elemente in der Biosphäre tendiert immer zu ihrer maximalen Manifestation.

Die Evolution der Arten im Laufe der Erdzeit, die zur Entstehung nachhaltiger Lebensformen führt, geht in eine Richtung, die die biogene Wanderung von Atomen verstärkt.

Lebende Materie steht in ständigem chemischem Austausch mit ihrer Umgebung, was ein Faktor ist, der die Biosphäre neu erschafft und erhält.

Betrachten wir, wie sich einige dieser Elemente in der Biosphäre bewegen.

Der Kohlenstoffkreislauf. Hauptakteur des biotischen Kreislaufs ist Kohlenstoff als Grundlage organischer Substanzen. Der Kohlenstoffkreislauf findet hauptsächlich zwischen lebender Materie und Kohlendioxid der Atmosphäre im Prozess der Photosynthese statt. Pflanzenfresser bekommen es mit der Nahrung, Raubtiere bekommen es von Pflanzenfressern. Beim Atmen, Verrotten, Kohlendioxid wird teilweise in die Atmosphäre zurückgeführt, die Rückführung erfolgt, wenn organische Mineralien verbrannt werden.

Wenn kein Kohlenstoff in die Atmosphäre zurückkehrt, würde er in 7-8 Jahren von grünen Pflanzen verbraucht werden. Die Geschwindigkeit des biologischen Kohlenstoffumsatzes durch Photosynthese beträgt 300 Jahre. Die Ozeane spielen eine wichtige Rolle bei der Regulierung des CO2-Gehalts in der Atmosphäre. Steigt der CO2-Gehalt in der Atmosphäre, löst sich ein Teil davon im Wasser und reagiert mit Calciumcarbonat.

Der Sauerstoffkreislauf.

Sauerstoff hat eine hohe chemische Aktivität, geht mit fast allen Elementen der Erdkruste Verbindungen ein. Es kommt hauptsächlich in Form von Verbindungen vor. Jedes vierte Atom der lebenden Materie ist ein Sauerstoffatom. Fast der gesamte molekulare Sauerstoff in der Atmosphäre ist durch die Aktivität grüner Pflanzen entstanden und wird auf einem konstanten Niveau gehalten. Luftsauerstoff, der bei der Atmung gebunden und bei der Photosynthese freigesetzt wird, durchläuft in 200 Jahren alle lebenden Organismen.

Der Stickstoffkreislauf. Stickstoff ist ein wesentlicher Bestandteil aller Proteine. Das Gesamtverhältnis von gebundenem Stickstoff als Bestandteil organischer Substanz zu Stickstoff in der Natur beträgt 1:100.000. Die chemische Bindungsenergie im Stickstoffmolekül ist sehr hoch. Daher erfordert die Kombination von Stickstoff mit anderen Elementen - Sauerstoff, Wasserstoff (der Prozess der Stickstofffixierung) - viel Energie. Die industrielle Stickstofffixierung findet in Gegenwart von Katalysatoren bei einer Temperatur von -500 °C und einem Druck von -300 atm statt.

Wie Sie wissen, enthält die Atmosphäre mehr als 78 % molekularen Stickstoff, aber in diesem Zustand ist er für grüne Pflanzen nicht verfügbar. Pflanzen können nur Stickstoffsalze für ihre Ernährung verwenden. Salpetersäure. Wie entstehen diese Salze? Hier sind einige davon:

In der Biosphäre wird die Stickstofffixierung aufgrund der hohen Effizienz der Biokatalyse von mehreren Gruppen anaerober Bakterien und Cyanobakterien bei normaler Temperatur und normalem Druck durchgeführt. Es wird angenommen, dass Bakterien in umgewandelt werden gebundene Form etwa 1 Milliarde Tonnen Stickstoff pro Jahr (das weltweite Volumen der industriellen Fixierung beträgt etwa 90 Millionen Tonnen).

Stickstofffixierende Bodenbakterien sind in der Lage, molekularen Stickstoff aus der Luft aufzunehmen. Sie reichern den Boden mit stickstoffhaltigen Verbindungen an, daher ist ihr Wert extrem hoch.

Als Folge der Zersetzung stickstoffhaltiger Verbindungen organischer Substanzen pflanzlichen und tierischen Ursprungs.

Stickstoff wird unter Einwirkung von Bakterien in Nitrate, Nitrite, Ammoniumverbindungen umgewandelt. In Pflanzen sind Stickstoffverbindungen an der Synthese von Proteinverbindungen beteiligt, die in Nahrungsketten von Organismus zu Organismus übertragen werden.

Phosphorkreislauf. Ein weiteres wichtiges Element, ohne das eine Proteinsynthese nicht möglich ist, ist Phosphor. Die Hauptquellen sind Eruptivgesteine ​​(Apatite) und Sedimentgesteine ​​(Phosphorite).

Durch natürliche Auswaschungsprozesse wird anorganischer Phosphor in den Kreislauf eingebunden. Phosphor wird von lebenden Organismen aufgenommen, die unter ihrer Beteiligung eine Reihe organischer Verbindungen synthetisieren und auf verschiedene trophische Ebenen übertragen.

Nach ihrer Reise durch die trophischen Ketten werden organische Phosphate von Mikroben zersetzt und verwandeln sich in mineralische Phosphate, die für grüne Pflanzen verfügbar sind.

Im Prozess des biologischen Kreislaufs, der für die Bewegung von Materie und Energie sorgt, gibt es keinen Platz für die Ansammlung von Abfällen. Die Abfallprodukte (also Abfallprodukte) jeder Lebensform sind der Nährboden für andere Organismen.

Theoretisch sollte die Biosphäre immer ein Gleichgewicht zwischen der Produktion von Biomasse und ihrem Abbau halten. In bestimmten geologischen Perioden wurde jedoch das Gleichgewicht des biologischen Kreislaufs gestört, wenn aufgrund bestimmter natürlicher Umstände, Katastrophen, nicht alle biologischen Produkte assimiliert und umgewandelt wurden. In diesen Fällen wurden Überschüsse an biologischen Produkten gebildet, die in der Erdkruste, unter der Wassersäule, in Sedimenten konserviert und abgelagert wurden und in die Permafrostzone gelangten. So wurden Lagerstätten von Kohle, Öl, Gas und Kalkstein gebildet. Es ist zu beachten, dass sie die Biosphäre nicht verunreinigen. Die im Prozess der Photosynthese angesammelte Energie der Sonne wird in organischen Mineralien konzentriert. Nun setzt eine Person diese Energie frei, indem sie organische fossile Brennstoffe verbrennt.