Halaman 1

Siklus geologi yang besar melibatkan batuan sedimen secara mendalam kerak bumi, untuk waktu yang lama mematikan unsur-unsur yang terkandung di dalamnya dari sistem siklus biologis. Selama sejarah geologi batuan sedimen yang berubah, sekali lagi di permukaan bumi, secara bertahap dihancurkan oleh aktivitas organisme hidup, air dan udara, dan sekali lagi termasuk dalam siklus biosfer.

Siklus geologi yang besar terjadi selama ratusan ribu atau jutaan tahun. Ini terdiri dari sebagai berikut: batu dihancurkan, lapuk dan akhirnya hanyut oleh aliran air ke lautan. Di sini mereka diendapkan di dasar, membentuk batuan sedimen, dan hanya sebagian yang kembali ke darat dengan organisme yang dikeluarkan dari air oleh manusia atau hewan lain.

Inti dari siklus geologi yang besar adalah proses pemindahan senyawa mineral dari satu tempat ke tempat lain dalam skala planet tanpa partisipasi materi hidup.

Selain sirkulasi kecil, ada sirkulasi geologis yang besar. Beberapa zat memasuki lapisan dalam Bumi (melalui sedimen dasar laut atau dengan cara lain), di mana transformasi lambat terjadi dengan pembentukan berbagai senyawa, mineral dan organik. Proses siklus geologis didukung terutama oleh energi internal Bumi, inti aktifnya. Energi yang sama berkontribusi pada pelepasan zat ke permukaan bumi. Dengan demikian, sirkulasi besar zat ditutup. Dibutuhkan jutaan tahun.

Mengenai kecepatan dan intensitas sirkulasi geologis besar zat, saat ini, tidak peduli seberapa akurat data dapat diberikan, hanya ada perkiraan perkiraan, dan kemudian hanya untuk komponen eksogen dari siklus umum, yaitu. tanpa memperhitungkan masuknya materi dari mantel ke dalam kerak bumi.

Karbon ini mengambil bagian dalam siklus geologi yang besar. Karbon ini, dalam proses siklus biotik kecil, menjaga keseimbangan gas biosfer dan kehidupan secara umum.

Aliran padat dari beberapa sungai di dunia.

Kontribusi komponen biosfer dan teknosfer terhadap siklus geologis besar zat-zat Bumi sangat signifikan: ada pertumbuhan komponen teknosfer yang terus-menerus progresif karena perluasan bidang aktivitas produksi manusia.

Karena pada permukaan bumi aliran teknobio-geokimia utama diarahkan dalam kerangka sirkulasi geologis besar zat untuk 70% daratan ke lautan dan 30% - ke dalam depresi tanpa drainase tertutup, tetapi selalu dari tingkat yang lebih tinggi ke tingkat yang lebih rendah, sebagai akibat dari tindakan gaya gravitasi Sejalan dengan itu, bahan kerak bumi juga dibedakan dari dataran tinggi hingga rendah, dari daratan hingga lautan. Arus balik (transportasi atmosfer, aktivitas manusia, pergerakan tektonik, vulkanisme, migrasi organisme) sampai batas tertentu memperumit pergerakan materi ke bawah secara umum, menciptakan siklus migrasi lokal, tetapi tidak mengubahnya secara umum.

Sirkulasi air antara daratan dan lautan melalui atmosfer mengacu pada siklus geologi yang besar. Air menguap dari permukaan lautan dan dipindahkan ke darat, di mana ia jatuh dalam bentuk presipitasi, yang kembali lagi ke laut dalam bentuk limpasan permukaan dan bawah tanah, atau jatuh sebagai presipitasi ke permukaan laut. Lebih dari 500 ribu km3 air berpartisipasi dalam siklus air di Bumi setiap tahun. Siklus air secara keseluruhan memainkan peran utama dalam membentuk kondisi alam di planet kita. Mempertimbangkan transpirasi air oleh tanaman dan penyerapannya dalam siklus biogeokimia, seluruh pasokan air di Bumi meluruh dan dipulihkan dalam 2 juta tahun.

Menurut penuturannya, siklus biologis zat berkembang sebagai bagian dari lintasan siklus geologi zat yang besar di alam.

Transpor materi melalui permukaan dan air tanah- ini adalah faktor utama dalam hal diferensiasi tanah dunia secara geokimia, tetapi bukan satu-satunya, dan jika kita berbicara tentang sirkulasi geologis besar zat di permukaan bumi secara keseluruhan, maka aliran memainkan peran yang sangat signifikan di dalamnya, khususnya transportasi laut dan atmosfer.

Mengenai kecepatan dan intensitas sirkulasi geologis zat yang besar, saat ini tidak mungkin untuk memberikan data yang tepat, hanya ada perkiraan perkiraan, dan kemudian hanya untuk komponen eksogen dari siklus umum, yaitu. tanpa memperhitungkan masuknya materi dari mantel ke dalam kerak bumi. Komponen eksogen dari sirkulasi geologis zat yang besar adalah proses denudasi permukaan bumi yang terus-menerus.

Di biosfer, ada sirkulasi zat global (besar, atau geologis), yang ada bahkan sebelum kemunculan organisme hidup pertama. Ini mencakup berbagai unsur kimia. Siklus geologi dilakukan berkat matahari, gravitasi, tektonik dan spesies luar angkasa energi.

Dengan munculnya materi hidup, berdasarkan siklus geologis, siklus bahan organik muncul - siklus kecil (biotik, atau biologis).

Daur biotik zat adalah suatu proses pergerakan dan transformasi zat yang berlangsung terus menerus, siklik, tidak merata dalam ruang dan waktu. partisipasi langsung organisme hidup. Ini adalah proses berkelanjutan dari penciptaan dan penghancuran bahan organik dan diimplementasikan dengan partisipasi ketiga kelompok organisme: produsen, konsumen, dan pengurai. Sekitar 40 elemen biogenik terlibat dalam siklus biotik. Nilai tertinggi untuk organisme hidup, mereka memiliki siklus karbon, hidrogen, oksigen, nitrogen, fosfor, belerang, besi, kalium, kalsium dan magnesium.

Saat materi hidup berkembang, semuanya terus-menerus diekstraksi dari siklus geologis. lebih banyak item yang memasuki siklus biologis baru. Massa total zat abu yang terlibat setiap tahun dalam siklus biotik zat hanya di darat adalah sekitar 8 miliar ton. Ini beberapa kali massa produk letusan semua gunung berapi di dunia sepanjang tahun. Tingkat sirkulasi materi di biosfer berbeda. Materi hidup biosfer diperbarui rata-rata selama 8 tahun, massa fitoplankton di lautan diperbarui setiap hari. Semua oksigen di biosfer melewati materi hidup dalam 2000 tahun, dan karbon dioksida- selama 300 tahun.

Siklus biotik lokal dilakukan di ekosistem, dan siklus biogeokimia migrasi atom dilakukan di biosfer, yang tidak hanya mengikat ketiga kulit terluar planet menjadi satu kesatuan, tetapi juga menentukan evolusi berkelanjutan komposisinya.

SUASANA HIDROSFER

­ ¯ ­ ¯

ZAT HIDUP

TANAH

Evolusi biosfer

Biosfer muncul dengan kelahiran organisme hidup pertama sekitar 3,5 miliar tahun yang lalu. Dalam perjalanan perkembangan kehidupan, itu berubah. Tahapan evolusi biosfer dapat dibedakan dengan mempertimbangkan karakteristik tipe ekosistem.

1. Muncul dan berkembangnya kehidupan di air. Panggung terhubung dengan keberadaan ekosistem perairan. Tidak ada oksigen di atmosfer.

2. Munculnya organisme hidup di darat, berkembangnya lingkungan darat-udara dan tanah, serta munculnya ekosistem darat. Hal ini dimungkinkan oleh adanya oksigen di atmosfer dan perisai ozon. Itu terjadi 2,5 miliar tahun yang lalu.

3. Penampilan seseorang, mengubahnya menjadi makhluk biososial dan kemunculan antropoekosistem terjadi 1 juta tahun yang lalu.

4. Transisi biosfer di bawah pengaruh aktivitas manusia yang cerdas menjadi yang baru status kualitas- ke dalam noosfer.

Noosfer

panggung tertinggi Perkembangan biosfer adalah noosfer - tahap pengaturan yang wajar dari hubungan antara manusia dan alam. Istilah ini diperkenalkan pada tahun 1927 Filsuf Prancis E. Leroy. Dia percaya bahwa noosfer mencakup masyarakat manusia dengan industri, bahasa, dan atribut aktivitas cerdas lainnya. Pada 30-40-an. abad XX V.I. Vernadsky mengembangkan ide-ide materialistis tentang noosfer. Dia percaya bahwa noosfer muncul sebagai hasil dari interaksi biosfer dan masyarakat, dikendalikan oleh hubungan dekat hukum alam, pemikiran dan hukum sosial ekonomi masyarakat, dan menekankan bahwa

noosphere (lingkup pikiran) - tahap pengembangan biosfer, ketika aktivitas cerdas orang akan menjadi faktor penentu utama dalam pembangunan berkelanjutannya.

Noosfer adalah tahap biosfer baru yang lebih tinggi, terkait dengan kemunculan dan perkembangan umat manusia di dalamnya, yang, dengan mengetahui hukum alam dan meningkatkan teknologi, menjadi kekuatan terbesar, sebanding dalam skala geologi, dan mulai memiliki pengaruh yang menentukan pada jalannya proses di Bumi, sangat mengubahnya dengan pekerjaan mereka. Pembentukan dan perkembangan umat manusia diekspresikan dalam munculnya bentuk-bentuk baru pertukaran materi dan energi antara masyarakat dan alam, dalam dampak manusia yang terus meningkat terhadap biosfer. Noosfer akan datang ketika umat manusia, dengan bantuan ilmu pengetahuan, akan mampu mengelola proses alam dan sosial secara bermakna. Oleh karena itu, noosfer tidak dapat dianggap sebagai cangkang khusus Bumi.

Ilmu yang mengatur hubungan antara masyarakat manusia dan alam disebut noogenics.

Tujuan utama noogenik adalah perencanaan masa kini demi masa depan, dan tugas utamanya adalah koreksi pelanggaran dalam hubungan antara manusia dan alam yang disebabkan oleh kemajuan teknologi, kontrol sadar evolusi biosfer. . Penggunaan sumber daya alam yang direncanakan dan dibuktikan secara ilmiah harus dibentuk, menyediakan pemulihan dalam siklus zat dari apa yang telah dilanggar seseorang, sebagai lawan dari sikap spontan dan predator terhadap alam, yang mengarah pada kerusakan. lingkungan. Hal ini membutuhkan pembangunan berkelanjutan dari masyarakat yang memenuhi kebutuhan saat ini tanpa mengorbankan kemampuan generasi mendatang untuk memenuhi kebutuhan mereka sendiri.

Saat ini, planet telah terbentuk bioteknosfer - bagian dari biosfer, yang secara radikal diubah oleh manusia menjadi struktur rekayasa: kota, pabrik dan pabrik, tambang dan tambang, jalan, bendungan dan waduk, dll.

BIOSFER DAN MAN

Biosfer bagi manusia adalah dan habitat dan sumber sumber daya alam.

Sumber daya alam – benda-benda alam dan fenomena yang digunakan seseorang dalam proses persalinan. Mereka memberi orang makanan, pakaian, tempat tinggal. Menurut tingkat kelelahan, mereka dibagi menjadi: habis dan tak habis-habisnya . habis-habisnya sumber daya dibagi menjadi terbarukan dan tidak terbarukan . Sumber daya tak terbarukan termasuk sumber daya yang tidak dihidupkan kembali (atau diperbarui ratusan kali lebih lambat daripada yang dihabiskan): minyak, batu bara, bijih logam, dan sebagian besar mineral. Sumber daya alam terbarukan - tanah, vegetasi dan dunia Hewan, mineral ( garam). Sumber daya ini terus dipulihkan pada tingkat yang berbeda: hewan - beberapa tahun, hutan - 60-80 tahun, tanah yang kehilangan kesuburannya - selama beberapa milenium. Melebihi tingkat konsumsi di atas tingkat reproduksi menyebabkan hilangnya sumber daya sepenuhnya.

tak habis-habisnya sumber daya termasuk air, iklim (udara atmosfer dan energi angin) dan ruang: radiasi sinar matahari, energi pasang surut air laut dan surut. Namun, pencemaran lingkungan yang semakin meningkat membutuhkan penerapan langkah-langkah lingkungan untuk melestarikan sumber daya ini.

Kepuasan kebutuhan manusia tidak terpikirkan tanpa eksploitasi sumber daya alam.

Semua jenis aktivitas manusia di biosfer dapat digabungkan menjadi empat bentuk.

1. Mengubah struktur permukaan bumi(membajak tanah, mengeringkan badan air, penggundulan hutan, membangun kanal). Kemanusiaan menjadi kekuatan geologis yang kuat. Seseorang menggunakan 75% lahan, 15% perairan sungai, 20 hektar hutan ditebang setiap menit.

· Perubahan geologi dan geomorfologi - intensifikasi pembentukan jurang, penampilan dan frekuensi aliran lumpur dan tanah longsor.

Perubahan kompleks (lanskap) - pelanggaran integritas dan struktur alami bentang alam, keunikan monumen alam, hilangnya lahan produktif, penggurunan.

Semua zat di planet ini sedang dalam proses sirkulasi. Energi matahari menyebabkan dua siklus materi di Bumi: besar (geologis, biosfer) dan kecil (biologis).

Peredaran besar zat di biosfer ditandai oleh dua: poin penting: itu dilakukan di seluruh perkembangan geologi Bumi dan merupakan proses planet modern yang mengambil bagian utama dalam pengembangan lebih lanjut lingkungan.

Siklus geologis dikaitkan dengan pembentukan dan penghancuran batuan dan pergerakan selanjutnya dari produk penghancuran - bahan detrital dan unsur kimia. Peran penting dalam proses ini dimainkan dan terus dimainkan oleh sifat termal permukaan tanah dan air: penyerapan dan pantulan sinar matahari, konduktivitas termal, dan kapasitas panas. Rezim hidrotermal permukaan bumi yang tidak stabil, bersama dengan sistem sirkulasi atmosfer planet, menentukan sirkulasi geologis zat, yang pada tahap awal perkembangan bumi, bersama dengan proses endogen, dikaitkan dengan pembentukan benua, lautan, dan modern. geosfer. Dengan pembentukan biosfer, produk aktivitas vital organisme dimasukkan dalam siklus besar. Siklus geologi memasok organisme hidup dengan nutrisi dan sangat menentukan kondisi keberadaan mereka.

Unsur kimia utama litosfer: oksigen, silikon, aluminium, besi, magnesium, natrium, kalium, dan lainnya - berpartisipasi dalam sirkulasi besar, melewati bagian terdalam mantel atas ke permukaan litosfer. batuan beku, yang muncul selama kristalisasi magma, setelah memasuki permukaan litosfer dari kedalaman Bumi, mengalami dekomposisi, pelapukan di biosfer. Produk pelapukan masuk ke keadaan bergerak, terbawa oleh air, angin ke tempat-tempat relief rendah, jatuh ke sungai, laut dan membentuk lapisan tebal batuan sedimen, yang seiring waktu, jatuh ke kedalaman di daerah dengan suhu dan tekanan tinggi. , mengalami metamorfosis, yaitu "dilelehkan". Selama peleburan kembali ini, batuan metamorf baru muncul, memasuki cakrawala atas kerak bumi dan memasuki kembali sirkulasi zat. (Nasi.).

Zat yang mudah bergerak - gas dan air alami yang membentuk atmosfer dan hidrosfer planet ini - mengalami sirkulasi paling intensif dan cepat. Materi siklus litosfer jauh lebih lambat. Secara umum, setiap sirkulasi unsur kimia apa pun adalah bagian dari sirkulasi besar umum zat di Bumi, dan semuanya saling berhubungan erat. Materi hidup biosfer dalam siklus ini melakukan pekerjaan besar dalam mendistribusikan kembali unsur-unsur kimia yang terus-menerus beredar di biosfer, bergerak dari lingkungan luar menjadi organisme dan kembali ke lingkungan.

Kecil, atau biologis, sirkulasi zat- Ini

sirkulasi zat antara tumbuhan, hewan, jamur, mikroorganisme dan tanah. Inti dari siklus biologis adalah aliran dua proses yang berlawanan, tetapi saling terkait - penciptaan zat organik dan penghancurannya. Tahap pertama Munculnya zat organik karena fotosintesis tumbuhan hijau, yaitu pembentukan makhluk hidup dari karbon dioksida, air, dan senyawa mineral sederhana dengan menggunakan energi matahari. Tumbuhan (produsen) mengekstrak molekul belerang, fosfor, kalsium, kalium, magnesium, mangan, silikon, aluminium, seng, tembaga, dan elemen lain dari tanah dalam larutan. Hewan herbivora (konsumen orde pertama) menyerap senyawa dari unsur-unsur tersebut yang sudah berupa makanan asal tumbuhan. Predator (konsumen orde kedua) memakan hewan herbivora, memakan lebih dari komposisi kompleks, termasuk protein, lemak, asam amino dan zat lainnya. Dalam proses pemusnahan oleh mikroorganisme (pengurai) zat organik sisa tumbuhan dan hewan yang mati, ke dalam tanah dan lingkungan akuatik senyawa mineral sederhana yang tersedia untuk asimilasi oleh tanaman masuk, dan putaran siklus biologis berikutnya dimulai (Gbr. 33).

Kemunculan dan perkembangan noosfer

Evolusi dunia organik di Bumi telah melalui beberapa tahap, yang pertama terkait dengan munculnya siklus biologis zat di biosfer. Yang kedua disertai dengan formasi organisme multiseluler. Kedua tahap ini disebut biogenesis.Tahap ketiga dikaitkan dengan penampilan masyarakat manusia, di bawah pengaruh siapa kondisi modern ada evolusi biosfer dan transformasinya menjadi lingkup pikiran-noosfer (dari gr.-pikiran,-bola). Noosfer adalah keadaan baru biosfer, ketika aktivitas manusia yang cerdas menjadi faktor utama yang menentukan perkembangannya. Istilah "noosfer" diperkenalkan oleh E. Leroy. VI Vernadsky memperdalam dan mengembangkan doktrin noosfer. Dia menulis: "Noosfer adalah fenomena geologi baru di planet kita. Di dalamnya, manusia menjadi kekuatan geologis utama." V. I. Vernadsky memilih prasyarat yang diperlukan untuk penciptaan noosfer: 1. Kemanusiaan telah menjadi satu kesatuan. 2. Kemungkinan pertukaran informasi seketika. 3. Kesetaraan manusia yang nyata. 6. Pengecualian perang dari kehidupan masyarakat. Penciptaan prasyarat ini menjadi mungkin sebagai akibat dari ledakan pemikiran ilmiah di abad kedua puluh.

Topik - 6. Alam - manusia: pendekatan sistematis. Tujuan dari kuliah: Untuk membentuk pandangan holistik dari sistem postulat ekologi.

Pertanyaan utama: 1. Konsep sistem dan biosistem kompleks 2. Ciri-ciri sistem biologis 3. Postulat sistem: hukum komunikasi universal, hukum lingkungan B. Commoner, Hukum bilangan besar, prinsip Le Chatelier, Hukum umpan balik di alam dan hukum keteguhan jumlah materi hidup. 4. Model interaksi dalam sistem " alam adalah manusia” dan “manusia-ekonomi-biota-lingkungan”.

sistem ekologi- objek utama ekologi. Ekologi bersifat sistemik dan dalam bentuk teoretisnya dekat dengan teori umum sistem. Menurut teori umum sistem, sistem adalah seperangkat bagian yang nyata atau dapat dibayangkan, sifat integralnya ditentukan oleh interaksi antara bagian-bagian (elemen) dari sistem. Dalam kehidupan nyata, sistem didefinisikan sebagai kumpulan objek yang disatukan oleh beberapa bentuk interaksi reguler atau saling ketergantungan untuk melakukan fungsi yang diberikan. Dalam materi ada hierarki tertentu - urutan subordinasi spatio-temporal yang teratur dan komplikasi sistem. Semua varietas dunia kita dapat direpresentasikan sebagai tiga hierarki yang muncul secara berurutan. Ini adalah hierarki utama, alami, fisiko-kimia-biologis (P, X, B) dan dua sisi yang muncul berdasarkan hierarki sosial (S) dan teknis (T). Keberadaan yang terakhir dalam totalitas masukan mempengaruhi hierarki utama dalam beberapa cara. Menggabungkan sistem dari hierarki yang berbeda mengarah ke kelas sistem "campuran". Dengan demikian, kombinasi sistem dari bagian fisiko-kimia dari hierarki (F, X - "lingkungan") dengan sistem kehidupan dari bagian biologis hierarki (B - "biota") mengarah ke kelas sistem campuran yang disebut ekologis. Penyatuan sistem dari hierarki C

("manusia") dan T ("teknologi") mengarah ke kelas ekonomi, atau teknis dan ekonomi, sistem.

Beras. . Hirarki sistem bahan:

F, X - fisika dan kimia, B - biologi, C - sosial, T - teknis

Harus jelas bahwa dampak masyarakat manusia terhadap alam, digambarkan dalam diagram, dimediasi oleh teknologi dan teknologi (technogenesis), mengacu pada seluruh hierarki sistem alam: cabang bawah - hingga lingkungan abiotik, atas - ke biota biosfer. Di bawah ini kami akan mempertimbangkan kemungkinan aspek lingkungan dan teknis dan ekonomi dari interaksi ini.

Semua sistem memiliki beberapa properti Umum:

1. Setiap sistem memiliki spesifik struktur, ditentukan oleh bentuk hubungan ruang-waktu atau interaksi antar elemen sistem. Tatanan struktural saja tidak menentukan organisasi suatu sistem. Sistem tersebut dapat disebut terorganisir jika keberadaannya diperlukan untuk mempertahankan beberapa struktur fungsional (melakukan pekerjaan tertentu), atau, sebaliknya, tergantung pada aktivitas struktur semacam itu.

2. Menurut prinsip keanekaragaman yang diperlukan sistem tidak dapat terdiri dari elemen identik tanpa individualitas. Batas bawah keanekaragaman paling sedikit dua unsur (proton dan elektron, protein dan asam nukleat, "dia" dan "dia"), yang atas adalah tak terhingga. Keragaman adalah karakteristik informasi yang paling penting dari sistem. Ini berbeda dari jumlah varietas elemen dan dapat diukur 3. Sifat-sifat suatu sistem tidak dapat dipahami hanya berdasarkan sifat-sifat bagian-bagiannya. Ini adalah interaksi antara elemen-elemen yang menentukan. Tidak mungkin menilai pengoperasian mesin dari bagian-bagian individual mesin sebelum perakitan. Mempelajari secara terpisah beberapa bentuk jamur dan ganggang, tidak mungkin untuk memprediksi keberadaan simbiosis mereka dalam bentuk lumut. Efek gabungan dari dua atau lebih faktor yang berbeda pada suatu organisme hampir selalu berbeda dari jumlah efeknya yang terpisah. Tingkat tidak dapat direduksinya sifat-sifat sistem terhadap jumlah sifat-sifat elemen individu yang terdiri darinya menentukan munculnya sistem.

4. Alokasi sistem membagi dunianya menjadi dua bagian - sistem itu sendiri dan lingkungannya. Bergantung pada ada (tidak adanya) pertukaran materi, energi, dan informasi dengan lingkungan, hal-hal berikut pada dasarnya mungkin: terpencil sistem (tidak ada pertukaran yang mungkin); tertutup sistem (pertukaran materi yang tidak mungkin); membuka sistem (pertukaran materi dan energi dimungkinkan). Pertukaran energi menentukan pertukaran informasi. Di alam, hanya ada yang terbuka dinamis sistem, antara elemen internal yang dan unsur-unsur lingkungan melakukan transfer materi, energi dan informasi. Setiap sistem kehidupan- dari virus ke biosfer - adalah sistem dinamis terbuka.

5. Dominasi interaksi internal dalam sistem atas yang eksternal dan labilitas sistem dalam kaitannya dengan eksternal
tindakan mendefinisikannya kemampuan mempertahankan diri berkat kualitas organisasi, daya tahan dan stabilitas. Pengaruh eksternal pada sistem yang melebihi kekuatan dan fleksibilitas interaksi internalnya menyebabkan perubahan yang tidak dapat diubah.
dan kematian sistem. Stabilitas sistem dinamis dipertahankan oleh kerja siklik eksternal yang terus menerus. Ini membutuhkan aliran dan transformasi energi ke dalam ini. tema. Probabilitas mencapai tujuan utama sistem - pelestarian diri (termasuk melalui reproduksi sendiri) didefinisikan sebagai efisiensi potensial.

6. Aksi sistem dalam waktu disebut perilaku. menyebabkan faktor eksternal perubahan perilaku didefinisikan sebagai reaksi sistem, dan perubahan reaksi sistem, terkait dengan perubahan struktur dan ditujukan untuk menstabilkan perilaku, sebagai perangkat, atau adaptasi. Konsolidasi perubahan adaptif dalam struktur dan koneksi sistem dalam waktu, di mana efisiensi potensialnya meningkat, dianggap sebagai: perkembangan, atau evolusi, sistem. Munculnya dan keberadaan semua sistem material di alam adalah karena evolusi. Sistem dinamis berkembang ke arah dari organisasi yang lebih memungkinkan ke organisasi yang lebih kecil kemungkinannya, yaitu. perkembangan berlangsung di sepanjang jalan komplikasi organisasi dan pembentukan subsistem dalam struktur sistem. Di alam, semua bentuk perilaku sistem - dari reaksi dasar sebelum evolusi global - pada dasarnya non-linier. Fitur penting dari evolusi sistem yang kompleks adalah
ketidakrataan, kurangnya monoton. Periode akumulasi bertahap dari perubahan kecil kadang-kadang terganggu oleh lompatan kualitatif tajam yang secara signifikan mengubah sifat-sifat sistem. Mereka biasanya dikaitkan dengan apa yang disebut titik bifurkasi- bifurkasi, pemisahan jalur evolusi sebelumnya. Banyak tergantung pada pilihan satu atau lain kelanjutan dari jalan di titik bifurkasi, hingga munculnya dan kemakmuran dunia baru partikel, zat, organisme, masyarakat, atau, sebaliknya, kematian sistem. Bahkan untuk sistem keputusan hasil pilihan seringkali tidak dapat diprediksi, dan pilihan itu sendiri pada titik bifurkasi mungkin disebabkan oleh impuls acak. Setiap sistem nyata dapat disajikan dalam bentuk beberapa kesamaan materi atau gambar simbolik, yaitu masing-masing analog atau tanda model sistem. Pemodelan pasti disertai dengan beberapa penyederhanaan dan formalisasi hubungan dalam sistem. Formalisasi ini dapat
diimplementasikan dalam bentuk hubungan logis (kausal) dan/atau matematis (fungsional).Seiring dengan meningkatnya kompleksitas sistem, muncul kualitas baru. Pada saat yang sama, kualitas lebih sistem sederhana. Oleh karena itu, keragaman keseluruhan kualitas sistem meningkat karena menjadi lebih kompleks (Gbr. 2.2).

Beras. 2.2. Pola perubahan sifat hierarki sistem dengan peningkatan levelnya (menurut Fleishman, 1982):

1 - keragaman, 2 - stabilitas, 3 - kemunculan, 4 - kompleksitas, 5 - non-identitas, 6 - prevalensi

Untuk meningkatkan aktivitas dalam kaitannya dengan pengaruh eksternal, kualitas sistem dapat diurutkan dalam urutan berikut: 1 - stabilitas, 2 - keandalan karena kesadaran lingkungan (kekebalan kebisingan), 3 - pengendalian, 4 - self- organisasi. Dalam seri ini, setiap kualitas berikutnya masuk akal di hadapan yang sebelumnya.

Kesulitan Uap struktur sistem ditentukan oleh bilangan P unsur dan bilangannya t

koneksi di antara mereka. Jika dalam sistem apa pun jumlah keadaan diskrit pribadi diselidiki, maka kompleksitas sistem Dengan ditentukan oleh logaritma dari jumlah ikatan:

C = log(2.1)

Sistem diklasifikasikan secara kondisional berdasarkan kompleksitas sebagai berikut: 1) sistem dengan hingga seribu status (O <С < 3), относятся к sederhana; 2) sistem dengan hingga satu juta status (3< С < 6), являют собой sistem yang kompleks; 3) sistem dengan lebih dari satu juta status (C> 6) diidentifikasi sebagai: sangat rumit.

Semua biosistem alami yang nyata sangat kompleks. Bahkan dalam struktur virus tunggal, jumlah keadaan molekuler yang signifikan secara biologis melebihi nilai yang terakhir.

Biosfer Bumi dicirikan dengan cara tertentu oleh sirkulasi zat dan aliran energi yang ada. Siklus zat adalah partisipasi berulang zat dalam proses yang terjadi di atmosfer, hidrosfer dan litosfer, termasuk lapisan yang merupakan bagian dari biosfer bumi. Sirkulasi materi dilakukan dengan pasokan energi eksternal yang terus menerus dari Matahari dan energi dalam Bumi.

Tergantung pada kekuatan pendorong, dalam sirkulasi zat, seseorang dapat membedakan siklus geologis (sirkulasi besar), biologis (biogeokimia, sirkulasi kecil) dan antropogenik.

Siklus geologi (sirkulasi besar zat di biosfer)

Sirkulasi ini mendistribusikan kembali materi antara biosfer dan cakrawala Bumi yang lebih dalam. penggerak Proses ini merupakan proses geologi eksogen dan endogen. Proses endogen terjadi di bawah pengaruh energi internal Bumi. Ini adalah energi yang dilepaskan sebagai hasilnya peluruhan radioaktif, reaksi kimia pembentukan mineral, dll. K proses endogen termasuk, misalnya, gerakan tektonik, gempa bumi. Proses ini mengarah pada pembentukan bentuk besar relief (benua, parit laut, pegunungan dan dataran). Proses eksogen berlangsung di bawah pengaruh energi eksternal Matahari. Ini termasuk aktivitas geologi atmosfer, hidrosfer, organisme hidup dan manusia. Proses ini menyebabkan perataan bentang alam besar ( lembah sungai, bukit, jurang, dll).

Siklus geologi berlanjut selama jutaan tahun dan terdiri dari fakta bahwa batuan dihancurkan, dan produk pelapukan (termasuk yang larut dalam air nutrisi) dibawa oleh aliran air ke Samudra Dunia, di mana mereka membentuk strata laut dan hanya sebagian kembali ke daratan dengan curah hujan. Perubahan geotektonik, proses penurunan benua dan naiknya dasar laut, pergerakan laut dan samudera untuk waktu yang lama mengarah pada fakta bahwa lapisan-lapisan ini kembali ke darat dan prosesnya dimulai lagi. Simbol peredaran zat ini adalah spiral, bukan lingkaran, karena. siklus baru sirkulasi tidak persis mengulangi yang lama, tetapi memperkenalkan sesuatu yang baru.

Ke siklus besar mengacu pada siklus air (siklus hidrologi) antara daratan dan lautan melalui atmosfer (Gbr. 3.2).

Siklus air secara keseluruhan memainkan peran utama dalam membentuk kondisi alam di planet kita. Dengan mempertimbangkan transpirasi air oleh tanaman dan penyerapannya dalam siklus biogeokimia, seluruh pasokan air di Bumi meluruh dan dipulihkan selama 2 juta tahun.

Beras. 3. 2. Siklus air di biosfer.

Dalam siklus hidrologi, semua bagian hidrosfer saling berhubungan. Lebih dari 500 ribu km3 air berpartisipasi di dalamnya setiap tahun. Kekuatan pendorong di balik proses ini adalah energi matahari. Molekul air di bawah aksi energi matahari memanas dan naik dalam bentuk gas ke atmosfer (menguap setiap hari - 875 km3 air tawar). Saat mereka naik, mereka secara bertahap mendingin, memadat dan membentuk awan. Setelah pendinginan yang cukup, awan melepaskan air dalam bentuk berbagai presipitasi yang jatuh kembali ke laut. Air yang jatuh ke tanah dapat mengikuti dua cara yang berbeda: meresap ke dalam tanah (infiltrasi) atau mengalir (run off permukaan). Di permukaan, air mengalir ke aliran dan sungai yang mengarah ke laut atau tempat lain di mana penguapan terjadi. Air yang diserap ke dalam tanah dapat ditahan di lapisan atasnya (cakrawala) dan dikembalikan ke atmosfer melalui transpirasi. Air seperti itu disebut kapiler. Air yang terbawa oleh gravitasi dan meresap ke dalam pori-pori dan retakan disebut air gravitasi. Air gravitasi merembes ke lapisan batu atau tanah liat padat yang tidak dapat ditembus, mengisi semua rongga. Cadangan semacam itu disebut air tanah, dan batas atasnya disebut level. air tanah. Lapisan batuan bawah tanah di mana air tanah mengalir perlahan disebut akuifer. Di bawah pengaruh gravitasi, air tanah bergerak di sepanjang akuifer sampai menemukan "jalan keluar" (misalnya, membentuk mata air alami yang memberi makan danau, sungai, kolam, mis. permukaan air). Dengan demikian, siklus air mencakup tiga "putaran" utama: limpasan permukaan, evaporasi-transpirasi, air tanah. Lebih dari 500 ribu km3 air terlibat dalam siklus air di Bumi setiap tahun, dan memainkan peran utama dalam membentuk kondisi alam.

Sirkulasi biologis (biogeokimia)

(sirkulasi kecil zat di biosfer)

Kekuatan pendorong siklus biologis zat adalah aktivitas organisme hidup. Ini adalah bagian dari yang lebih besar dan terjadi di dalam biosfer pada tingkat ekosistem. Siklus kecil terdiri dari fakta bahwa nutrisi, air, dan karbon terakumulasi dalam materi tanaman (autotrof), dihabiskan untuk membangun tubuh dan proses kehidupan, baik tanaman maupun organisme lain (biasanya hewan - heterotrof) yang memakan tanaman ini. Produk penguraian bahan organik di bawah aksi perusak dan mikroorganisme (bakteri, jamur, cacing) terurai lagi menjadi komponen mineral. Zat anorganik ini dapat digunakan kembali untuk sintesis zat organik oleh autotrof.

Dalam siklus biogeokimia, dana cadangan (zat yang tidak terkait dengan organisme hidup) dan dana pertukaran (zat yang dihubungkan oleh pertukaran langsung antara organisme dan lingkungan terdekatnya) dibedakan.

Tergantung pada lokasi dana cadangan, siklus biogeokimia dibagi menjadi dua jenis:

pilin jenis gas dengan dana cadangan zat di atmosfer dan hidrosfer (siklus karbon, oksigen, nitrogen).

Siklus jenis sedimen dengan dana cadangan di kerak bumi (sirkulasi fosfor, kalsium, besi, dll).

Siklus jenis gas, memiliki dana pertukaran besar, lebih sempurna. Dan selain itu, mereka mampu mengatur diri sendiri dengan cepat. Siklus tipe sedimen kurang sempurna, mereka lebih lembam, karena sebagian besar materi terkandung dalam dana cadangan kerak bumi dalam bentuk yang tidak dapat diakses oleh organisme hidup. Siklus tersebut mudah terganggu oleh berbagai macam pengaruh, dan bagian dari materi yang dipertukarkan meninggalkan siklus. Ia dapat kembali lagi ke sirkulasi hanya sebagai hasil dari proses geologis atau dengan ekstraksi oleh materi hidup.

Intensitas siklus biologis ditentukan oleh suhu lingkungan dan jumlah air. Misalnya, siklus biologis berlangsung lebih intensif dalam kondisi basah hutan tropis daripada di tundra.

Siklus zat dan elemen biogenik utama

siklus karbon

Semua kehidupan di bumi didasarkan pada karbon. Setiap molekul organisme hidup dibangun atas dasar kerangka karbon. Atom karbon secara konstan bermigrasi dari satu bagian biosfer ke bagian lain (Gbr. 3. 3).

Beras. 3. 3. Siklus karbon.

Cadangan karbon utama di Bumi berupa karbon dioksida (CO2) yang terkandung di atmosfer dan terlarut di lautan. Tumbuhan menyerap molekul karbon dioksida selama fotosintesis. Akibatnya, atom karbon diubah menjadi berbagai senyawa organik dan dengan demikian termasuk dalam struktur tanaman. Berikut ini adalah beberapa opsi:

sisa karbon dalam tanaman ® molekul tanaman dimakan oleh pengurai (organisme yang memakan bahan organik mati dan pada saat yang sama memecahnya menjadi sederhana senyawa anorganik) ® karbon dikembalikan ke atmosfer sebagai CO2;

· tanaman dimakan oleh herbivora ® karbon dikembalikan ke atmosfer selama respirasi hewan dan saat mereka terurai setelah kematian; atau herbivora akan dimakan oleh karnivora dan kemudian karbon akan kembali lagi ke atmosfer dengan cara yang sama;

· setelah kematian, tanaman berubah menjadi bahan bakar fosil (misalnya, menjadi batu bara) ® karbon dikembalikan ke atmosfer setelah penggunaan bahan bakar, letusan gunung berapi dan proses panas bumi lainnya.

Dalam kasus pelarutan molekul CO2 awal dalam air laut beberapa opsi juga dimungkinkan: karbon dioksida dapat dengan mudah kembali ke atmosfer (pertukaran gas timbal balik jenis ini antara lautan dan atmosfer terjadi terus-menerus); Karbon dapat masuk ke dalam jaringan tumbuhan atau hewan laut, kemudian lambat laun akan terakumulasi dalam bentuk sedimen di dasar lautan dan akhirnya berubah menjadi batugamping atau kembali lolos dari sedimen tersebut ke dalam air laut.

Tingkat siklus CO2 adalah sekitar 300 tahun.

Intervensi manusia dalam siklus karbon (pembakaran batu bara, minyak, gas, dehumifikasi) menyebabkan peningkatan kandungan CO2 di atmosfer dan pengembangan efek rumah kaca. Saat ini, studi tentang siklus karbon telah menjadi tugas penting bagi para ilmuwan yang terlibat dalam studi atmosfer.

Siklus oksigen

Oksigen adalah unsur paling umum di Bumi (air laut mengandung 85,82% oksigen, udara atmosfer 23,15%, di kerak bumi 47,2%). Senyawa oksigen sangat diperlukan untuk mempertahankan kehidupan (mereka memainkan peran penting dalam proses metabolisme dan respirasi, merupakan bagian dari protein, lemak, karbohidrat, dari mana organisme "dibangun"). massa utama oksigen masuk keadaan terikat(Jumlah oksigen molekuler di atmosfer hanya 0,01% dari konten umum oksigen di kerak bumi).

Karena oksigen ditemukan di banyak senyawa kimia, peredarannya di biosfer sangat kompleks dan terutama terjadi antara atmosfer dan organisme hidup. Konsentrasi oksigen di atmosfer dipertahankan melalui fotosintesis, akibatnya tanaman hijau mengubah karbon dioksida dan air menjadi karbohidrat dan oksigen di bawah pengaruh sinar matahari. Sebagian besar oksigen diproduksi oleh tanaman darat - hampir , sisanya - oleh organisme fotosintesis lautan. Sumber oksigen yang kuat adalah dekomposisi fotokimia uap air di atmosfer atas di bawah pengaruh sinar ultraviolet matahari. Selain itu, oksigen membuat siklus yang paling penting, menjadi bagian dari air. Sejumlah kecil oksigen terbentuk dari ozon di bawah pengaruh radiasi ultraviolet.

Tingkat siklus oksigen adalah sekitar 2 ribu tahun.

Deforestasi, erosi tanah, berbagai pekerjaan tambang di permukaan mengurangi massa total fotosintesis dan mengurangi siklus oksigen di area yang luas. Selain itu, 25% oksigen yang dihasilkan sebagai hasil asimilasi dikonsumsi setiap tahun untuk kebutuhan industri dan domestik.

siklus nitrogen

Siklus nitrogen biogeokimia, seperti siklus sebelumnya, mencakup semua area biosfer (Gbr. 3.4).

Beras. 3. 4. Siklus nitrogen.

Nitrogen termasuk dalam atmosfer bumi tidak terikat dalam bentuk molekul diatomik(sekitar 78% dari total volume atmosfer adalah nitrogen). Selain itu, nitrogen ditemukan pada tumbuhan dan hewan dalam bentuk protein. Tumbuhan mensintesis protein dengan menyerap nitrat dari tanah. Nitrat terbentuk di sana dari nitrogen atmosfer dan senyawa amonium yang ada di tanah. Proses mengubah nitrogen atmosfer menjadi bentuk yang dapat digunakan oleh tumbuhan dan hewan disebut fiksasi nitrogen. Ketika bahan organik meluruh, sebagian besar nitrogen yang terkandung di dalamnya berubah menjadi amonia, yang, di bawah pengaruh bakteri nitrifikasi yang hidup di tanah, kemudian dioksidasi menjadi amonia. asam sendawa. Asam ini, bereaksi dengan karbonat di dalam tanah (misalnya, kalsium karbonat CaCO3), membentuk nitrat. Beberapa nitrogen selalu dilepaskan selama peluruhan dalam bentuk bebas ke atmosfer. Selain itu, nitrogen bebas dilepaskan selama pembakaran zat organik, selama pembakaran kayu bakar, batu bara keras, gambut. Selain itu, ada bakteri yang, dengan akses udara yang tidak memadai, dapat mengambil oksigen dari nitrat, menghancurkannya dengan pelepasan nitrogen bebas. Aktivitas bakteri denitrifikasi mengarah pada fakta bahwa bagian dari nitrogen dari bentuk yang tersedia untuk tanaman hijau (nitrat) menjadi tidak dapat diakses (nitrogen bebas). Jadi, jauh dari semua nitrogen yang merupakan bagian dari tanaman mati, kembali ke tanah (sebagian secara bertahap dilepaskan dalam bentuk bebas).

Proses yang mengkompensasi hilangnya nitrogen termasuk, pertama-tama, yang terjadi di atmosfer pelepasan listrik, di mana sejumlah oksida nitrogen selalu terbentuk (yang terakhir dengan air memberikan asam nitrat, yang berubah menjadi nitrat di dalam tanah). Sumber lain pengisian kembali senyawa nitrogen di tanah adalah aktivitas vital dari apa yang disebut azotobacteria, yang mampu mengasimilasi nitrogen atmosfer. Beberapa dari bakteri ini menetap di akar tanaman dari keluarga kacang-kacangan, menyebabkan pembentukan pembengkakan yang khas - bintil. Bakteri nodul, mengasimilasi nitrogen atmosfer, memprosesnya menjadi senyawa nitrogen, dan tanaman, pada gilirannya, mengubah yang terakhir menjadi protein dan zat kompleks lainnya. Jadi, di alam, siklus nitrogen terus menerus terjadi.

Karena kenyataan bahwa setiap tahun dengan panen bagian tanaman yang paling kaya protein (misalnya, biji-bijian) dikeluarkan dari ladang, tanah "wajib" menggunakan pupuk yang mengkompensasi kehilangan di dalamnya. elemen penting nutrisi tanaman. Kegunaan utama adalah kalsium nitrat (Ca(NO)2), amonium nitrat (NH4NO3), natrium nitrat (NANO3), dan kalium nitrat (KNO3). Juga, alih-alih pupuk kimia, tanaman itu sendiri dari keluarga kacang-kacangan digunakan. Jika jumlah pupuk nitrogen buatan yang diterapkan ke tanah terlalu besar, maka nitrat juga masuk ke dalam tubuh manusia, di mana mereka dapat berubah menjadi nitrit, yang sangat beracun dan dapat menyebabkan kanker.

Siklus fosfor

Sebagian besar fosfor terkandung dalam batuan yang terbentuk di zaman geologis masa lalu. Kandungan fosfor dalam kerak bumi adalah dari 8 - 10 hingga 20% (berat) dan ditemukan di sini dalam bentuk mineral (fluorapatite, chlorapatite, dll.), Yang merupakan bagian dari fosfat alam - apatit dan fosforit. Fosfor dapat memasuki siklus biogeokimia sebagai akibat dari pelapukan batuan. Proses erosi membawa fosfor ke laut dalam bentuk mineral apatit. Dalam transformasi fosfor peran besar dimainkan oleh makhluk hidup. Organisme mengekstrak fosfor dari tanah dan larutan air. Selanjutnya, fosfor ditransfer melalui rantai makanan. Dengan kematian organisme, fosfor kembali ke tanah dan ke lanau laut, dan terkonsentrasi dalam bentuk endapan fosfat laut, yang pada gilirannya menciptakan kondisi untuk pembentukan batuan kaya fosfor (Gbr. 3. 5. ).

Beras. 3.5. Siklus fosfor di biosfer (menurut P. Duvigno, M. Tang, 1973; dengan perubahan).

Pada penyalahgunaan pupuk fosfat, sebagai akibat dari erosi air dan angin (penghancuran di bawah aksi air atau angin), sejumlah besar fosfor dihilangkan dari tanah. Di satu sisi, ini mengarah pada konsumsi pupuk fosfor yang berlebihan dan penipisan bijih yang mengandung fosfor.

Di sisi lain, peningkatan kandungan fosfor dalam saluran air transfernya menyebabkan peningkatan pesat dalam biomassa tanaman air, "mekarnya reservoir" dan eutrofikasinya (pengayaan nutrisi).

Karena tanaman membawa sejumlah besar fosfor dari tanah, dan pengisian alami senyawa fosfor tanah sangat tidak signifikan, aplikasi pupuk fosfor ke tanah adalah salah satu langkah terpenting untuk meningkatkan produktivitas. Sekitar 125 juta ton ditambang setiap tahun di dunia. bijih fosfat. Sebagian besar dihabiskan untuk produksi pupuk fosfat.

Siklus belerang

Dana cadangan utama belerang ditemukan di sedimen, tanah dan atmosfer. peran utama dalam keterlibatan belerang dalam siklus biogeokimia milik mikroorganisme. Beberapa dari mereka adalah agen pereduksi, yang lain adalah agen pengoksidasi (Gbr. 3. 6.).

Beras. 3. 6. Siklus belerang (menurut Yu. Odum, 1975).

Di alam di dalam jumlah besar berbagai sulfida besi, timbal, seng, dll diketahui Sulfida belerang dioksidasi di biosfer menjadi belerang sulfat. Sulfat diserap oleh tanaman. Dalam organisme hidup, belerang adalah bagian dari asam amino dan protein, dan pada tumbuhan, sebagai tambahan, itu adalah bagian dari minyak esensial, dll. Proses penghancuran sisa-sisa organisme di tanah dan di lumpur laut disertai dengan transformasi belerang yang kompleks (mikroorganisme menciptakan banyak senyawa belerang antara). Setelah organisme hidup mati, sebagian belerang direduksi di dalam tanah oleh mikroorganisme menjadi H2S, sebagian lagi dioksidasi menjadi sulfat dan kembali dimasukkan ke dalam siklus. Hidrogen sulfida yang terbentuk di atmosfer dioksidasi dan dikembalikan ke tanah dengan presipitasi. Selain itu, hidrogen sulfida dapat membentuk kembali sulfida "sekunder", dan belerang sulfat menciptakan gipsum. Pada gilirannya, sulfida dan gipsum kembali dihancurkan, dan belerang melanjutkan migrasinya.

Selain itu, belerang dalam bentuk SO2, SO3, H2S dan unsur belerang dikeluarkan oleh gunung berapi ke atmosfer.

Siklus belerang dapat terganggu oleh campur tangan manusia. Alasan untuk ini adalah pembakaran batu bara dan emisi dari industri kimia, yang mengakibatkan pembentukan belerang dioksida, yang mengganggu proses fotosintesis dan menyebabkan kematian vegetasi.

Dengan demikian, siklus biogeokimia menyediakan homeostasis biosfer. Namun, mereka sebagian besar tunduk pada pengaruh manusia. Dan salah satu tindakan anti-lingkungan paling kuat dari seseorang dikaitkan dengan pelanggaran dan bahkan penghancuran siklus alam (mereka menjadi asiklik).

Siklus antropogenik

Kekuatan pendorong siklus antropogenik adalah aktivitas manusia. Siklus ini mencakup dua komponen: biologis, terkait dengan fungsi seseorang sebagai organisme hidup, dan teknis, terkait dengan aktivitas ekonomi dari orang-orang. Siklus antropogenik, tidak seperti siklus geologis dan biologis, tidak tertutup. Keterbukaan ini menyebabkan menipisnya sumber daya alam dan pencemaran lingkungan alam.

Siklus geologis besar zat mineral dan air berlangsung di bawah pengaruh sejumlah besar faktor abiotik.

4.3.1. Sirkulasi zat dalam siklus geologi yang besar.

Menurut teori lempeng litosfer, kulit terluar Bumi terdiri dari beberapa balok (lempeng) yang sangat besar. Teori ini mengasumsikan adanya pergerakan horizontal lempeng litosfer yang kuat, setebal 100-150 km.

Pada saat yang sama, di pegunungan tengah laut, yang disebut zona keretakan. Terjadi retakan dan pemisahan lempeng litosfer dengan terbentuknya kerak samudra muda

Fenomena ini disebut penyebaran dasar laut. Dengan demikian, aliran zat mineral naik dari kedalaman mantel, membentuk batuan kristalin muda.

Berbeda dengan proses ini, di zona palung laut dalam, salah satu bagian dari kerak benua ke yang lain, yang disertai dengan pencelupan bagian periferal pelat ke dalam mantel, yaitu bagian benda padat kerak bumi menjadi bagian dari mantel bumi. Proses yang terjadi di palung laut dalam samudera disebut subduksi kerak samudera.

Siklus air di planet ini beroperasi terus menerus dan di mana-mana. Kekuatan pendorong siklus air energi termal dan gravitasi. Di bawah pengaruh panas, terjadi penguapan, kondensasi uap air dan proses lainnya, yang menghabiskan sekitar 50% energi yang berasal dari matahari. Di bawah pengaruh gravitasi - jatuhnya tetesan air hujan, aliran sungai, pergerakan tanah dan air tanah. Seringkali penyebab ini bekerja bersama, misalnya, proses termal dan gravitasi bekerja pada sirkulasi atmosfer air.

4.3.2. Siklus unsur-unsur di alam mati

Ini dilakukan dengan dua cara: migrasi air dan udara. Migran udara meliputi: oksigen, hidrogen, nitrogen, yodium.

Migran air termasuk zat-zat yang bermigrasi terutama di tanah, permukaan dan air bawah tanah terutama dalam bentuk molekul dan ion: natrium, magnesium, aluminium, silikon, fosfor, belerang, klorin, kalium, mangan, besi, kobalt, nikel, strontium , timbal, dll. Migran udara juga merupakan bagian dari garam yang bermigrasi di dalam air. Namun, migrasi udara lebih khas bagi mereka.

4.4 Sirkulasi kecil (biologis)

Massa materi hidup di biosfer relatif kecil. Jika tersebar di permukaan bumi, maka akan diperoleh lapisan hanya 1,5 cm Tabel 4.1 membandingkan beberapa karakteristik kuantitatif biosfer dan geosfer Bumi lainnya. Biosfer, yang terdiri dari kurang dari 10-6 massa cangkang lain di planet ini, memiliki keragaman yang jauh lebih besar dan memperbarui komposisinya jutaan kali lebih cepat.

Tabel 4.1

Perbandingan biosfer dengan geosfer Bumi lainnya

*Bahan hidup berdasarkan berat hidup

4.4.1. Fungsi biosfer

Berkat biota biosfer, bagian utama dari transformasi kimia di planet ini dilakukan. Oleh karena itu penilaian V.I. Vernadsky tentang peran geologis transformatif yang besar dari materi hidup. Untuk evolusi organik organisme hidup seribu kali (untuk siklus yang berbeda dari 103 hingga 105 kali) melewati diri mereka sendiri, melalui organ, jaringan, sel, darah, seluruh atmosfer, seluruh volume Samudra Dunia, paling massa tanah, massa besar zat mineral. Dan mereka tidak hanya melewatkannya, tetapi juga mengubah lingkungan duniawi sesuai dengan kebutuhan mereka.

Berkat kemampuan untuk mengubah energi matahari menjadi energi ikatan kimia, tanaman dan organisme lain melakukan sejumlah fungsi biogeokimia mendasar pada skala planet.

fungsi gas. Makhluk hidup terus-menerus bertukar oksigen dan karbon dioksida dengan lingkungan dalam proses fotosintesis dan respirasi. Tumbuhan memainkan peran yang menentukan dalam perubahan dari lingkungan pereduksi menjadi lingkungan pengoksidasi dalam evolusi geokimia planet ini dan dalam pembentukan komposisi gas atmosfer modern. Tanaman secara ketat mengontrol konsentrasi O2 dan CO2, yang optimal untuk totalitas semua organisme hidup modern.

fungsi konsentrasi. Melewati tubuhmu volume besar udara dan larutan alami, organisme hidup melakukan migrasi biogenik (pergerakan zat kimia) dan konsentrasi unsur kimia dan senyawanya. Ini berlaku untuk biosintesis bahan organik, pembentukan pulau karang, konstruksi cangkang dan kerangka, munculnya lapisan batu kapur sedimen, endapan bijih logam tertentu, akumulasi nodul besi-mangan, di dasar laut, dll. Tahap awal evolusi biologis terjadi di lingkungan perairan. Organisme telah belajar untuk mengekstrak zat yang mereka butuhkan dari larutan encer, mengalikan konsentrasi mereka di dalam tubuh mereka berkali-kali lipat.

Fungsi redoks materi hidup berkaitan erat dengan migrasi biogenik unsur dan konsentrasi zat. Banyak zat di alam yang stabil dan tidak mengalami oksidasi dalam kondisi normal, misalnya, nitrogen molekuler adalah salah satu unsur biogenik yang paling penting. Tetapi sel hidup memiliki katalis yang sangat kuat - enzim sehingga mereka mampu melakukan banyak reaksi redoks jutaan kali lebih cepat daripada yang dapat terjadi di lingkungan abiotik.

Fungsi informasi makhluk hidup biosfer. Dengan munculnya makhluk hidup primitif pertama, informasi aktif ("hidup") muncul di planet ini, yang berbeda dari informasi "mati", yang merupakan cerminan sederhana dari strukturnya. Organisme telah dapat menerima informasi dengan menghubungkan aliran energi dengan struktur molekul aktif yang berperan sebagai program. Kemampuan untuk memahami, menyimpan, dan memproses informasi molekuler telah mengalami evolusi lanjutan di alam dan telah menjadi faktor pembentuk sistem ekologi yang paling penting. Jumlah stok informasi genetik biota diperkirakan 1015 bit. Daya total aliran informasi molekuler yang terkait dengan metabolisme dan energi di semua sel biota global mencapai 1036 bit/s (Gorshkov et al., 1996).

4.4.2. Komponen siklus biologis.

Siklus biologis dilakukan antara semua komponen biosfer (yaitu, antara tanah, udara, air, hewan, mikroorganisme, dll). Itu terjadi dengan partisipasi wajib organisme hidup.

Radiasi matahari yang mencapai biosfer membawa energi sekitar 2,5 * 1024 J per tahun. Hanya 0,3% darinya yang langsung diubah menjadi energi selama fotosintesis. ikatan kimia bahan organik, yaitu terlibat dalam siklus biologis. Dan 0,1 - 0,2% energi matahari yang jatuh ke bumi ternyata tertutup murni produksi primer. Nasib lebih lanjut dari energi ini terhubung dengan transfer bahan organik makanan melalui kaskade rantai trofik.

Siklus biologis secara kondisional dapat dibagi menjadi komponen yang saling terkait: siklus zat dan siklus energi.

4.4.3. Siklus energi. Transformasi energi di biosfer

Ekosistem dapat digambarkan sebagai kumpulan organisme hidup yang terus menerus bertukar energi, materi, dan informasi. Energi dapat didefinisikan sebagai kemampuan untuk melakukan usaha. Sifat-sifat energi, termasuk pergerakan energi dalam ekosistem, dijelaskan oleh hukum termodinamika.

Hukum pertama termodinamika atau hukum kekekalan energi menyatakan bahwa energi tidak hilang dan tidak diciptakan lagi, hanya berubah dari satu bentuk ke bentuk lainnya.

Hukum kedua termodinamika menyatakan bahwa dalam sistem tertutup entropi hanya dapat meningkat. Berkenaan dengan energi dalam ekosistem, formulasi berikut cocok: proses yang terkait dengan transformasi energi dapat terjadi secara spontan hanya jika energi berpindah dari bentuk terkonsentrasi ke bentuk yang menyebar, yaitu, terdegradasi. Ukuran jumlah energi yang menjadi tidak tersedia untuk digunakan, atau ukuran perubahan urutan yang terjadi ketika energi terdegradasi, adalah entropi. Semakin tinggi orde sistem, semakin rendah entropinya.

Dengan kata lain, makhluk hidup menerima dan mengubah energi kosmos, matahari menjadi energi proses terestrial (kimia, mekanik, termal, listrik). Ini melibatkan energi dan materi anorganik dalam sirkulasi terus menerus zat di biosfer. Aliran energi di biosfer memiliki satu arah - dari Matahari melalui tumbuhan (autotrof) ke hewan (heterotrof). Ekosistem alami yang tidak tersentuh dalam keadaan stabil dengan indikator lingkungan penting yang konstan (homeostasis) adalah sistem yang paling teratur dan dicirikan oleh entropi terendah.

4.4.4. Siklus zat di alam

Pembentukan makhluk hidup dan penguraiannya adalah dua sisi dari satu proses, yang disebut siklus biologis unsur-unsur kimia. Kehidupan adalah sirkulasi unsur-unsur kimia antara organisme dan lingkungan.

Alasan untuk siklus adalah keterbatasan unsur-unsur dari mana tubuh organisme dibangun. Setiap organisme mengekstrak dari lingkungan zat yang diperlukan untuk kehidupan dan mengembalikan yang tidak digunakan. Di mana:

beberapa organisme mengkonsumsi mineral langsung dari lingkungan;

lainnya menggunakan produk yang diproses dan diisolasi terlebih dahulu;

yang ketiga - yang kedua, dll., sampai zat kembali ke lingkungan dalam keadaan semula.

Di biosfer, kebutuhan akan koeksistensi berbagai organisme yang dapat menggunakan produk limbah satu sama lain sangat jelas. Kami melihat produksi biologis yang praktis bebas limbah.

Siklus zat dalam organisme hidup dapat direduksi secara kondisional menjadi empat proses:

1. Fotosintesis. Sebagai hasil fotosintesis, tanaman menyerap dan mengumpulkan energi matahari dan mensintesis zat organik - produk biologis primer - dan oksigen dari zat anorganik. Produk biologis primer sangat beragam - mengandung karbohidrat (glukosa), pati, serat, protein, lemak.

Skema fotosintesis karbohidrat (glukosa) paling sederhana memiliki skema berikut:

Proses ini hanya berlangsung pada siang hari dan disertai dengan pertambahan massa tumbuhan.

Sekitar 100 miliar ton bahan organik diproduksi setiap tahun di Bumi sebagai hasil fotosintesis, sekitar 200 miliar ton karbon dioksida diasimilasi, dan sekitar 145 miliar ton oksigen dilepaskan.

Fotosintesis memainkan peran yang menentukan dalam memastikan keberadaan kehidupan di Bumi. Signifikansi globalnya dijelaskan oleh fakta bahwa fotosintesis adalah satu-satunya proses di mana energi dalam proses termodinamika, menurut prinsip minimalis, tidak menghilang, melainkan terakumulasi.

Dengan mensintesis asam amino yang diperlukan untuk membangun protein, tanaman dapat hidup secara relatif independen dari organisme hidup lainnya. Ini memanifestasikan autotrofi tanaman (swasembada nutrisi). Pada saat yang sama, massa hijau tanaman dan oksigen yang terbentuk dalam proses fotosintesis adalah dasar untuk mempertahankan kehidupan kelompok organisme hidup berikutnya - hewan, mikroorganisme. Ini menunjukkan heterotrofi kelompok organisme ini.

2. Pernapasan. Prosesnya adalah kebalikan dari fotosintesis. Terjadi pada semua sel hidup. Saat bernafas bahan organik teroksidasi oleh oksigen, sebagai hasilnya, karbon dioksida, air dan energi dilepaskan.

3. Hubungan nutrisi (trofik) antara organisme autotrofik dan heterotrofik. PADA kasus ini ada transfer energi dan materi di sepanjang mata rantai makanan, yang telah kita bahas lebih rinci sebelumnya.

4. Proses transpirasi. Salah satu proses terpenting dalam siklus biologis.

Secara skema dapat digambarkan sebagai berikut. Tanaman menyerap kelembaban tanah melalui akarnya. Pada saat yang sama, zat mineral yang dilarutkan dalam air masuk ke dalamnya, yang diserap, dan uap air menguap kurang lebih secara intensif, tergantung pada kondisi lingkungan.

4.4.5. Siklus biogeokimia

Siklus geologis dan biologis terhubung - mereka ada sebagai satu proses, sehingga menimbulkan sirkulasi zat, yang disebut siklus biogeokimia (BGCC). Sirkulasi unsur-unsur ini disebabkan oleh sintesis dan peluruhan zat organik dalam ekosistem (Gbr. 4.1) Tidak semua unsur biosfer terlibat dalam BHCC, tetapi hanya unsur biogenik. Organisme hidup terdiri dari mereka, unsur-unsur ini masuk ke dalam berbagai reaksi dan berpartisipasi dalam proses yang terjadi pada organisme hidup. Dalam persentase, massa total makhluk hidup biosfer terdiri dari unsur-unsur biogenik utama berikut: oksigen - 70%, karbon - 18%, hidrogen - 10,5%, kalsium - 0,5%, kalium - 0,3%, nitrogen - 0 , 3%, (oksigen, hidrogen, nitrogen, karbon ada di semua lanskap dan merupakan dasar organisme hidup - 98%).

Esensi migrasi biogenik unsur-unsur kimia.

Jadi, di biosfer ada siklus biogenik zat (yaitu, siklus yang disebabkan oleh aktivitas vital organisme) dan aliran energi searah. Migrasi biogenik unsur-unsur kimia ditentukan terutama oleh dua proses yang berlawanan:

1. Terbentuknya makhluk hidup dari unsur lingkungan karena energi matahari.

2. Penghancuran zat organik, disertai pelepasan energi. Pada saat yang sama, unsur-unsur zat mineral berulang kali memasuki organisme hidup, dengan demikian masuk ke dalam komposisi senyawa organik kompleks, bentuk, dan kemudian, ketika yang terakhir dihancurkan, mereka kembali memperoleh bentuk mineral.

Ada unsur-unsur yang merupakan bagian dari organisme hidup, tetapi tidak terkait dengan yang biogenik. Unsur-unsur tersebut diklasifikasikan menurut fraksi beratnya dalam organisme:

Makronutrien - komponen setidaknya 10-2% dari massa;

Melacak elemen - komponen dari 9 * 10-3 hingga 1 * 10-3% dari massa;

Ultramicroelements - kurang dari 9 * 10-6% dari massa;

Untuk menentukan tempat unsur-unsur biogenik di antara unsur-unsur kimia biosfer lainnya, mari kita perhatikan klasifikasi yang diadopsi dalam ekologi. Menurut aktivitas yang ditunjukkan dalam proses yang terjadi di biosfer, semua unsur kimia dibagi menjadi 6 kelompok:

Gas mulia adalah helium, neon, argon, kripton, xenon. Gas inert bukan bagian dari organisme hidup.

Logam mulia - rutenium, radium, paladium, osmium, iridium, platinum, emas. Logam-logam ini hampir tidak membuat senyawa di kerak bumi.

Elemen siklik atau biogenik (mereka juga disebut migrasi). Kelompok unsur biogenik di kerak bumi ini menyumbang 99,7% dari total massa, dan 5 kelompok sisanya - 0,3%. Dengan demikian, sebagian besar dari unsur-unsur tersebut adalah para pendatang yang melakukan sirkulasi dalam amplop geografis, dan sebagian dari unsur-unsur inert sangat kecil.

Elemen tersebar, ditandai dengan dominasi atom bebas. Mereka masuk ke dalam reaksi kimia, tetapi senyawanya jarang ditemukan di kerak bumi. Mereka dibagi menjadi dua subkelompok. Yang pertama - rubidium, cesium, niobium, tantalum - membuat senyawa di kedalaman kerak bumi, dan di permukaan mineralnya dihancurkan. Yang kedua - yodium, brom - hanya bereaksi di permukaan.

Unsur radioaktif - polonium, radon, radium, uranium, neptunium, plutonium.

Unsur tanah jarang - yttrium, samarium, europium, thulium, dll.

Siklus biokimia sepanjang tahun menggerakkan sekitar 480 miliar ton materi.

DI DAN. Vernadsky merumuskan tiga prinsip biogeokimia yang menjelaskan esensi migrasi biogenik unsur-unsur kimia:

Migrasi biogenik unsur-unsur kimia di biosfer selalu cenderung pada manifestasinya yang maksimal.

Evolusi spesies dalam perjalanan waktu geologis, yang mengarah pada penciptaan bentuk kehidupan yang berkelanjutan, berlanjut ke arah yang meningkatkan migrasi biogenik atom.

Materi hidup dalam pertukaran kimia terus menerus dengan lingkungannya, yang merupakan faktor yang menciptakan dan memelihara biosfer.

Mari kita perhatikan bagaimana beberapa elemen ini bergerak di biosfer.

Siklus karbon. Peserta utama dalam siklus biotik adalah karbon sebagai dasar zat organik. Sebagian besar siklus karbon terjadi antara makhluk hidup dan karbon dioksida dari atmosfer dalam proses fotosintesis. Herbivora mendapatkannya dengan makanan, predator mendapatkannya dari herbivora. Saat bernafas, membusuk, karbon dioksida sebagian dikembalikan ke atmosfer, pengembalian terjadi ketika mineral organik dibakar.

Dengan tidak adanya pengembalian karbon ke atmosfer, itu akan digunakan oleh tanaman hijau dalam 7-8 tahun. Tingkat pergantian biologis karbon melalui fotosintesis adalah 300 tahun. Lautan berperan penting dalam mengatur kandungan CO2 di atmosfer. Jika kandungan CO2 meningkat di atmosfer, sebagian akan larut dalam air, bereaksi dengan kalsium karbonat.

Siklus oksigen.

Oksigen memiliki aktivitas kimia yang tinggi, masuk ke dalam senyawa dengan hampir semua unsur kerak bumi. Ini terjadi terutama dalam bentuk senyawa. Setiap atom keempat dari materi hidup adalah atom oksigen. Hampir semua molekul oksigen di atmosfer berasal dan dipertahankan pada tingkat yang konstan karena aktivitas tumbuhan hijau. Oksigen atmosfer, terikat selama respirasi dan dilepaskan selama fotosintesis, melewati semua organisme hidup dalam 200 tahun.

Siklus nitrogen. Nitrogen merupakan bagian integral dari semua protein. Rasio total nitrogen terikat, sebagai unsur penyusun bahan organik, dengan nitrogen di alam adalah 1:100.000. Energi ikatan kimia dalam molekul nitrogen sangat tinggi. Oleh karena itu, kombinasi nitrogen dengan elemen lain - oksigen, hidrogen (proses fiksasi nitrogen) - membutuhkan banyak energi. Fiksasi nitrogen industri terjadi dengan adanya katalis pada suhu -500 °C dan tekanan -300 atm.

Seperti yang Anda ketahui, atmosfer mengandung lebih dari 78% molekul nitrogen, tetapi dalam keadaan ini tidak tersedia untuk tanaman hijau. Tanaman hanya dapat menggunakan garam nitrogen untuk nutrisi mereka. asam nitrat. Bagaimana cara pembentukan garam-garam tersebut? Berikut adalah beberapa di antaranya:

Di biosfer, fiksasi nitrogen dilakukan oleh beberapa kelompok bakteri anaerob dan cyanobacteria pada suhu dan tekanan normal karena efisiensi biokatalisis yang tinggi. Bakteri dianggap diubah menjadi bentuk terikat sekitar 1 miliar ton nitrogen per tahun (volume fiksasi industri dunia sekitar 90 juta ton).

Bakteri pengikat nitrogen tanah mampu mengasimilasi molekul nitrogen dari udara. Mereka memperkaya tanah dengan senyawa nitrogen, sehingga nilainya sangat tinggi.

Sebagai hasil dari penguraian senyawa yang mengandung nitrogen dari zat organik yang berasal dari tumbuhan dan hewan.

Di bawah aksi bakteri, nitrogen diubah menjadi senyawa nitrat, nitrit, amonium. Pada tumbuhan, senyawa nitrogen mengambil bagian dalam sintesis senyawa protein, yang ditransfer dari organisme ke organisme dalam rantai makanan.

Siklus fosfor. Elemen penting lainnya, yang tanpanya sintesis protein tidak mungkin dilakukan, adalah fosfor. Sumber utamanya adalah batuan beku (apatit) dan batuan sedimen (fosforit).

Fosfor anorganik terlibat dalam siklus sebagai akibat dari proses pelindian alami. Fosfor diasimilasi oleh organisme hidup, yang, dengan partisipasinya, mensintesis sejumlah senyawa organik dan mentransfernya ke berbagai tingkat trofik.

Setelah menyelesaikan perjalanan mereka melalui rantai trofik, fosfat organik diurai oleh mikroba dan berubah menjadi fosfat mineral yang tersedia untuk tanaman hijau.

Dalam proses sirkulasi biologis, yang memastikan pergerakan materi dan energi, tidak ada tempat untuk akumulasi limbah. Produk limbah (yaitu produk limbah) dari setiap bentuk kehidupan adalah tempat berkembang biak bagi organisme lain.

Secara teoritis, biosfer harus selalu menjaga keseimbangan antara produksi biomassa dan dekomposisinya. Namun, dalam periode geologis tertentu, keseimbangan siklus biologis terganggu ketika, karena kondisi alam tertentu, bencana alam, tidak semua produk biologis berasimilasi dan diubah. Dalam kasus ini, surplus produk biologis terbentuk, yang dilestarikan dan disimpan di kerak bumi, di bawah kolom air, sedimen, dan berakhir di zona permafrost. Jadi endapan batu bara, minyak, gas, batu kapur terbentuk. Perlu dicatat bahwa mereka tidak mengotori biosfer. Energi Matahari, yang terakumulasi dalam proses fotosintesis, terkonsentrasi pada mineral organik. Sekarang, dengan membakar bahan bakar fosil organik, seseorang melepaskan energi ini.