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Um grande ciclo geológico envolve rochas sedimentares em profundidade crosta terrestre, por muito tempo desligando os elementos contidos neles do sistema do ciclo biológico. No decorrer história geológica as rochas sedimentares transformadas, mais uma vez na superfície da Terra, são gradualmente destruídas pela atividade dos organismos vivos, água e ar, e são novamente incluídas no ciclo biosférico.

Um grande ciclo geológico ocorre ao longo de centenas de milhares ou milhões de anos. Consiste no seguinte: as rochas são destruídas, intemperizadas e eventualmente levadas pelos fluxos de água para os oceanos. Aqui eles são depositados no fundo, formando rochas sedimentares, e apenas parcialmente retornam à terra com organismos retirados da água por humanos ou outros animais.

No centro de um grande ciclo geológico está o processo de transferência de compostos minerais de um lugar para outro em escala planetária sem a participação da matéria viva.

Além da pequena circulação, há uma grande circulação geológica. Algumas substâncias penetram nas camadas profundas da Terra (através dos sedimentos do fundo dos mares ou de outra forma), onde ocorrem transformações lentas com a formação vários compostos, minerais e orgânicos. Os processos do ciclo geológico são sustentados principalmente pela energia interna da Terra, seu núcleo ativo. A mesma energia contribui para a liberação de substâncias para a superfície da Terra. Assim, fecha-se uma grande circulação de substâncias. Leva milhões de anos.

No que diz respeito à velocidade e intensidade da grande circulação geológica de substâncias, atualmente, por mais precisos que os dados possam ser fornecidos, existem apenas estimativas aproximadas, e apenas para o componente exógeno do ciclo geral, ou seja, sem levar em conta o influxo de matéria do manto para a crosta terrestre.

Este carbono participa de um grande ciclo geológico. Esse carbono, no processo de um pequeno ciclo biótico, mantém o equilíbrio gasoso da biosfera e da vida em geral.

Escoamento sólido de alguns rios do mundo.

A contribuição dos componentes biosféricos e tecnosféricos para o grande ciclo geológico das substâncias da Terra é muito significativa: há um crescimento constantemente progressivo dos componentes tecnosféricos devido à expansão da esfera da atividade produtiva humana.

Porque em superfície da Terra o principal fluxo tecnobiogeoquímico é direcionado no quadro de uma grande circulação geológica de substâncias para 70% da terra no oceano e para 30% - em depressões fechadas sem drenagem, mas sempre de níveis mais altos para mais baixos, como resultado da açao forças gravitacionais Correspondentemente, o material da crosta terrestre também é diferenciado de altas a baixas elevações, da terra ao oceano. Fluxos reversos (transporte atmosférico, atividade humana, movimentos tectônicos, vulcanismo, migração de organismos) até certo ponto complicam esse movimento geral de descida da matéria, criando ciclos de migração local, mas não o alteram em geral.

A circulação da água entre a terra e o oceano através da atmosfera refere-se a um grande ciclo geológico. A água evapora da superfície dos oceanos e é transferida para a terra, onde cai na forma de precipitação, que novamente retorna ao oceano na forma de escoamento superficial e subterrâneo, ou cai como precipitação na superfície do oceano. Mais de 500 mil km3 de água participam do ciclo da água na Terra todos os anos. O ciclo da água como um todo desempenha um papel importante na formação condições naturais em nosso planeta. Levando em conta a transpiração da água pelas plantas e sua absorção no ciclo biogeoquímico, todo o suprimento de água na Terra decai e é restabelecido em 2 milhões de anos.

Segundo sua redação, ciclo biológico substâncias se desenvolve em parte da trajetória de um grande ciclo geológico de substâncias na natureza.

O transporte de matéria pela superfície e lençóis freáticos- este é o principal fator em termos de diferenciação da terra o Globo geoquimicamente, mas não o único, e se falarmos da grande circulação geológica de substâncias na superfície da Terra como um todo, os fluxos desempenham um papel muito significativo nela, em particular o transporte oceânico e atmosférico.

No que diz respeito à velocidade e intensidade da grande circulação geológica de substâncias, atualmente é impossível fornecer dados exatos, existem apenas estimativas aproximadas, e apenas para a componente exógena do ciclo geral, ou seja, sem levar em conta o influxo de matéria do manto para a crosta terrestre. O componente exógeno da grande circulação geológica de substâncias é o constante processo de desnudamento da superfície terrestre.

Na biosfera, há uma circulação global (grande ou geológica) de substâncias, que existia antes mesmo do surgimento dos primeiros organismos vivos. Inclui uma variedade de elementos químicos. O ciclo geológico é realizado graças às influências solar, gravitacional, tectônica e espécies espaciais energia.

Com o advento da matéria viva, com base no ciclo geológico, surgiu o ciclo da matéria orgânica - um pequeno ciclo (biótico ou biológico).

O ciclo biótico das substâncias é um processo contínuo, cíclico, desigual no tempo e no espaço de movimento e transformação de substâncias que ocorre durante participação direta organismos vivos. É um processo contínuo de criação e destruição de matéria orgânica e é implementado com a participação dos três grupos de organismos: produtores, consumidores e decompositores. Cerca de 40 elementos biogênicos estão envolvidos nos ciclos bióticos. Valor mais alto para os organismos vivos, eles têm ciclos de carbono, hidrogênio, oxigênio, nitrogênio, fósforo, enxofre, ferro, potássio, cálcio e magnésio.

À medida que a matéria viva se desenvolve, tudo é constantemente extraído do ciclo geológico. mais itens que entram em um novo ciclo biológico. A massa total de substâncias de cinzas envolvidas anualmente no ciclo biótico de substâncias apenas em terra é de cerca de 8 bilhões de toneladas. Isso é várias vezes a massa dos produtos da erupção de todos os vulcões do mundo ao longo do ano. A taxa de circulação da matéria na biosfera é diferente. A matéria viva da biosfera é atualizada em média por 8 anos, a massa de fitoplâncton no oceano é atualizada diariamente. Todo o oxigênio na biosfera passa pela matéria viva em 2000 anos, e dióxido de carbono- por 300 anos.

Ciclos bióticos locais são realizados em ecossistemas e ciclos biogeoquímicos de migração atômica são realizados na biosfera, que não apenas unem as três camadas externas do planeta em um único todo, mas também determinam a evolução contínua de sua composição.

ATMOSFERA HIDROSFERA

­ ¯ ­ ¯

SUBSTÂNCIA VIVA

O SOLO

Evolução da biosfera

A biosfera surgiu com o nascimento dos primeiros organismos vivos há cerca de 3,5 bilhões de anos. No curso do desenvolvimento da vida, isso mudou. As fases de evolução da biosfera podem ser distinguidas tendo em conta as características do tipo de ecossistema.

1. O surgimento e desenvolvimento da vida na água. O palco está ligado à existência ecossistemas aquáticos. Não havia oxigênio na atmosfera.

2. O surgimento de organismos vivos na terra, o desenvolvimento do ambiente terra-ar e do solo e o surgimento de ecossistemas terrestres. Isso foi possível pela presença de oxigênio na atmosfera e escudo de ozônio. Aconteceu há 2,5 bilhões de anos.

3. A aparência de uma pessoa, transformando-a em ser biossocial e o surgimento dos antropoecossistemas ocorreu há 1 milhão de anos.

4. A transição da biosfera sob a influência da atividade humana inteligente para um novo estado de qualidade- na noosfera.

Noosfera

o estágio mais alto O desenvolvimento da biosfera é a noosfera - o estágio de regulação razoável da relação entre o homem e a natureza. Este termo foi introduzido em 1927 filósofo francês E. Leroy. Ele acreditava que a noosfera inclui a sociedade humana com sua indústria, linguagem e outros atributos de atividade inteligente. Nos anos 30-40. Século XX V.I. Vernadsky desenvolveu ideias materialistas sobre a noosfera. Ele acreditava que a noosfera surge como resultado da interação da biosfera e da sociedade, é controlada por relação próxima leis da natureza, o pensamento e as leis sócio-econômicas da sociedade, e enfatizou que

noosfera (esfera da mente) - o estágio de desenvolvimento da biosfera, quando a atividade inteligente das pessoas se tornará o principal fator determinante em seu desenvolvimento sustentável.

A noosfera é um novo estágio superior da biosfera, associado ao surgimento e desenvolvimento da humanidade nela, que, conhecendo as leis da natureza e aprimorando a tecnologia, torna-se a maior força, comparável em escala aos geológicos, e começa a ter uma influência decisiva no curso dos processos na Terra, alterando-o profundamente com seu trabalho. A formação e desenvolvimento da humanidade se expressou no surgimento de novas formas de troca de matéria e energia entre a sociedade e a natureza, no impacto cada vez maior do homem na biosfera. A noosfera virá quando a humanidade, com a ajuda da ciência, for capaz de gerenciar significativamente os processos naturais e sociais. Portanto, a noosfera não pode ser considerada uma concha especial da Terra.

A ciência de gerenciar a relação entre a sociedade humana e a natureza é chamada noogenics.

O principal objetivo da noogenics é o planejamento do presente em prol do futuro, e suas principais tarefas são a correção de violações na relação entre o homem e a natureza causadas pelo progresso da tecnologia, o controle consciente da evolução da biosfera . Deve-se formar um uso planejado e cientificamente fundamentado dos recursos naturais, prevendo a restauração na circulação de substâncias do que foi violado pelo homem, em oposição a uma atitude espontânea e predatória em relação à natureza, levando à deterioração meio Ambiente. Isso requer o desenvolvimento sustentável de uma sociedade que atenda às necessidades do presente sem comprometer a capacidade das gerações futuras de atender às suas próprias necessidades.

Atualmente, o planeta se formou biotecnosfera - uma parte da biosfera, radicalmente transformada pelo homem em estruturas de engenharia: cidades, fábricas e fábricas, pedreiras e minas, estradas, barragens e reservatórios, etc.

BIOSFERA E HOMEM

A biosfera para o homem é e habitat e fonte de recursos naturais.

Recursos naturais – objetos naturais e fenômenos que uma pessoa usa no processo de trabalho. Eles fornecem às pessoas comida, roupas, abrigo. De acordo com o grau de exaustão, eles são divididos em esgotável e inesgotável . Esgotável recursos são divididos em renovável e não renovável . Os recursos não renováveis ​​incluem aqueles que não são revividos (ou são renovados centenas de vezes mais lentamente do que são gastos): petróleo, carvão, minérios metálicos e a maioria dos minerais. Recursos naturais renováveis ​​- solo, vegetação e mundo animal, minerais ( sal). Esses recursos estão sendo constantemente restaurados em ritmos diferentes: animais - vários anos, florestas - 60-80 anos, solos que perderam sua fertilidade - por vários milênios. Exceder a taxa de consumo sobre a taxa de reprodução leva ao desaparecimento completo do recurso.

Inesgotável recursos incluem água, clima (ar atmosférico e energia eólica) e espaço: radiação solar, energia marés do mar e reflui. No entanto, a crescente poluição do meio ambiente exige a implementação de medidas ambientais para conservar esses recursos.

Satisfação necessidades humanas impensável sem a exploração dos recursos naturais.

Todos os tipos de atividade humana na biosfera podem ser combinados em quatro formas.

1. Mudando a estrutura da superfície da Terra(arar a terra, drenar corpos d'água, desmatar, construir canais). A humanidade está se tornando uma poderosa força geológica. Uma pessoa usa 75% da terra, 15% das águas dos rios, 20 hectares de florestas são derrubados a cada minuto.

· Alterações geológicas e geomorfológicas - intensificação da formação de ravinas, aparecimento e frequência de alagamentos e deslizamentos de terra.

Mudanças complexas (paisagem) - violação da integridade e estrutura natural paisagens, a singularidade dos monumentos naturais, a perda de terras produtivas, a desertificação.

Todas as substâncias do planeta estão em processo de circulação. A energia solar causa dois ciclos de matéria na Terra: grande (geológica, biosférica) e pequeno (biológico).

A grande circulação de substâncias na biosfera é caracterizada por duas pontos importantes: é realizado em todo desenvolvimento geológico Terra e é um processo planetário moderno que tem um papel preponderante na desenvolvimento adicional biosfera.

O ciclo geológico está associado à formação e destruição de rochas e à subsequente movimentação de produtos de destruição - material detrítico e elementos químicos. Um papel significativo nestes processos foi desempenhado e continua a ser desempenhado pelas propriedades térmicas da superfície da terra e da água: a absorção e reflexão da luz solar, condutividade térmica e capacidade de calor. O instável regime hidrotermal da superfície terrestre, juntamente com o sistema de circulação atmosférica planetária, determinaram a circulação geológica de substâncias, que na fase inicial do desenvolvimento da Terra, juntamente com processos endógenos, esteve associada à formação dos continentes, oceanos e geosferas. Com a formação da biosfera, os produtos da atividade vital dos organismos foram incluídos no grande ciclo. O ciclo geológico fornece nutrientes aos organismos vivos e determina em grande parte as condições para sua existência.

Principais elementos químicos litosferas: oxigênio, silício, alumínio, ferro, magnésio, sódio, potássio e outros - participam de uma grande circulação, passando das partes profundas do manto superior até a superfície da litosfera. Rocha ígnea, que surgiu durante a cristalização do magma, tendo entrado na superfície da litosfera das profundezas da Terra, sofre decomposição, intemperismo na biosfera. Os produtos do intemperismo passam para um estado móvel, são levados pelas águas, ventos para locais de relevo baixo, caem nos rios, no oceano e formam espessas camadas de rochas sedimentares, que com o tempo, mergulham em profundidade em áreas com temperatura e pressão elevadas , sofrem metamorfose, ou seja, "refundidos". Durante essa refusão, surge uma nova rocha metamórfica, entrando nos horizontes superiores da crosta terrestre e reentrando na circulação de substâncias. (arroz.).

Substâncias facilmente móveis - gases e águas naturais que compõem a atmosfera e a hidrosfera do planeta - passam pela circulação mais intensa e rápida. O material da litosfera circula muito mais lentamente. Em geral, cada circulação de qualquer elemento químico faz parte da grande circulação geral de substâncias na Terra, e todas elas estão intimamente interconectadas. A matéria viva da biosfera neste ciclo faz um ótimo trabalho de redistribuição dos elementos químicos que circulam constantemente na biosfera, passando de ambiente externo nos organismos e de volta ao meio ambiente.

Circulação pequena ou biológica de substâncias- Esse

circulação de substâncias entre plantas, animais, fungos, microorganismos e solo. A essência do ciclo biológico é o fluxo de dois processos opostos, mas inter-relacionados - a criação de substâncias orgânicas e sua destruição. Primeira etapa O surgimento de substâncias orgânicas se deve à fotossíntese de plantas verdes, ou seja, à formação de matéria viva a partir de dióxido de carbono, água e compostos minerais simples usando energia solar. As plantas (produtores) extraem moléculas de enxofre, fósforo, cálcio, potássio, magnésio, manganês, silício, alumínio, zinco, cobre e outros elementos do solo em uma solução. Animais herbívoros (consumidores de primeira ordem) absorvem compostos desses elementos já na forma de alimentos de origem vegetal. Predadores (consumidores de segunda ordem) se alimentam de animais herbívoros, consumindo mais de composição complexa, incluindo proteínas, gorduras, aminoácidos e outras substâncias. No processo de destruição por microorganismos (decompositores) de substâncias orgânicas de plantas mortas e restos de animais, no solo e ambiente aquático compostos minerais simples disponíveis para assimilação pelas plantas entram, e a próxima rodada do ciclo biológico começa (Fig. 33).

O surgimento e desenvolvimento da noosfera

A evolução do mundo orgânico na Terra passou por várias etapas, a primeira está associada ao surgimento do ciclo biológico das substâncias na biosfera. A segunda foi acompanhada pela formação organismos multicelulares. Esses dois estágios são chamados de biogênese. O terceiro estágio está associado ao aparecimento sociedade humana, sob cuja influência condições modernas há uma evolução da biosfera e sua transformação na esfera da mente-noosfera (de gr.-mente,-bola). A noosfera é um novo estado da biosfera, quando a atividade humana inteligente se torna o principal fator que determina seu desenvolvimento. O termo "noosfera" foi introduzido por E. Leroy. VI Vernadsky aprofundou e desenvolveu a doutrina da noosfera. Ele escreveu: "A noosfera é um novo fenômeno geológico em nosso planeta. Nela, o homem se torna uma grande força geológica." V. I. Vernadsky destacou os pré-requisitos necessários para a criação da noosfera: 1. A humanidade tornou-se um todo único 2. A possibilidade de troca instantânea de informações 3. Igualdade real das pessoas. 6. Exclusão das guerras da vida da sociedade. A criação desses pré-requisitos torna-se possível como resultado da explosão do pensamento científico no século XX.

Tema - 6. Natureza - homem: uma abordagem sistemática. Objetivo da palestra: Formar uma visão holística dos postulados sistêmicos da ecologia.

Principais questões: 1. O conceito de sistema e biossistemas complexos 2. Características dos sistemas biológicos 3. Postulados do sistema: a lei da comunicação universal, leis ambientais B. Commoner, A lei dos grandes números, o princípio de Le Chatelier, A lei do feedback na natureza e a lei da constância da quantidade de matéria viva. 4. Modelos de interações em sistemas " a natureza é o homem” e “homem-economia-biota-ambiente”.

sistema ecológico- o principal objeto da ecologia. A ecologia é de natureza sistêmica e em sua forma teórica está próxima teoria geral sistemas. De acordo com a teoria geral dos sistemas, um sistema é um conjunto real ou concebível de partes, cujas propriedades integrais são determinadas pela interação entre as partes (elementos) do sistema. Na vida real, um sistema é definido como uma coleção de objetos reunidos por alguma forma de interação regular ou interdependência para realizar determinada função. No material existem certas hierarquias - sequências ordenadas de subordinação espaço-temporal e complicação de sistemas. Todas as variedades de nosso mundo podem ser representadas como três hierarquias emergidas sequencialmente. Esta é a hierarquia principal, natural, físico-química-biológica (P, X, B) e duas secundárias que surgiram em sua base, hierarquias sociais (S) e técnicas (T). A existência deste último na totalidade comentários afeta a hierarquia principal de alguma forma. A combinação de sistemas de diferentes hierarquias leva a classes "mistas" de sistemas. Assim, a combinação de sistemas da parte físico-química da hierarquia (F, X - "ambiente") com sistemas vivos da parte biológica da hierarquia (B - "biota") leva a uma classe mista de sistemas chamada ecológico. Uma união de sistemas de hierarquias C

("homem") e T ("tecnologia") leva a uma classe de economia, ou técnico e econômico, sistemas.

Arroz. . Hierarquias sistemas de materiais:

F, X - físico-químico, B - biológico, C - social, T - técnico

Deve ficar claro que o impacto da sociedade humana sobre a natureza, representado no diagrama, mediado pela tecnologia e tecnologia (tecnogênese), refere-se a toda a hierarquia dos sistemas naturais: o ramo inferior - para ambiente abiótico, superior - para a biota da biosfera. A seguir consideraremos a contingência dos aspectos ambientais e técnicos e econômicos dessa interação.

Todos os sistemas possuem algum propriedades gerais:

1. Cada sistema tem um estrutura, determinado pela forma de conexões espaço-temporais ou interações entre os elementos do sistema. A ordem estrutural por si só não determina a organização de um sistema. O sistema pode ser chamado organizado se sua existência é necessária para manter alguma estrutura funcional (executando determinado trabalho), ou, ao contrário, depende da atividade de tal estrutura.

2. De acordo com o princípio da diversidade necessária o sistema não pode consistir em elementos idênticos desprovidos de individualidade. O limite inferior de diversidade é de pelo menos dois elementos (próton e elétron, proteína e ácido nucleico, "ele" e "ela"), o superior é infinito. A diversidade é a característica de informação mais importante do sistema. Difere do número de variedades de elementos e pode ser medido 3. As propriedades de um sistema não podem ser compreendidas apenas com base nas propriedades de suas partes. É a interação entre os elementos que é decisiva. Não é possível avaliar o funcionamento da máquina a partir das peças individuais da máquina antes da montagem. Estudando separadamente algumas formas de fungos e algas, é impossível prever a existência de sua simbiose na forma de um líquen. O efeito combinado de dois ou mais fatores diferentes em um organismo é quase sempre diferente da soma de seus efeitos separados. O grau de irredutibilidade das propriedades do sistema à soma das propriedades dos elementos individuais que o compõem determina emergência sistemas.

4. A alocação do sistema divide seu mundo em duas partes - o próprio sistema e seu ambiente. Dependendo da presença (ausência) da troca de matéria, energia e informação com o meio ambiente, são fundamentalmente possíveis: isolado sistemas (sem possibilidade de troca); fechado sistemas (troca impossível de matéria); abrir sistemas (a troca de matéria e energia é possível). A troca de energia determina a troca de informações. Na natureza, existem apenas dinâmico sistemas, entre elementos internos que e os elementos do ambiente realizam a transferência de matéria, energia e informação. Algum sistema vivo- do vírus à biosfera - é um sistema dinâmico aberto.

5. Predominância interações internas no sistema sobre os externos e a labilidade do sistema em relação aos externos.
ações o definem capacidade de autopreservação graças às qualidades de organização, resistência e estabilidade. Uma influência externa em um sistema que excede a força e flexibilidade de suas interações internas leva a mudanças irreversíveis.
e morte do sistema. A estabilidade de um sistema dinâmico é mantida por seu trabalho cíclico externo contínuo. Isso requer o fluxo e a transformação de energia nisso. tema. Probabilidade de conseguir objetivo principal sistema - a autopreservação (inclusive por meio da auto-reprodução) é definida como sua eficiência potencial.

6. A ação do sistema no tempo é chamada comportamento. causado fator externo mudança de comportamento é definida como reação sistema, e uma mudança na reação do sistema, associada a uma mudança na estrutura e visando estabilizar o comportamento, como seu dispositivo, ou adaptação. A consolidação de mudanças adaptativas na estrutura e conexões do sistema no tempo, em que sua eficiência potencial aumenta, é considerada como desenvolvimento, ou evolução, sistemas. O surgimento e a existência de todos os sistemas materiais na natureza se devem à evolução. Os sistemas dinâmicos evoluem na direção da organização mais provável para a menos provável, ou seja, desenvolvimento prossegue ao longo do caminho da complicação da organização e formação de subsistemas na estrutura do sistema. Na natureza, todas as formas de comportamento do sistema - desde reação elementar antes da evolução global - essencialmente não linear. Uma característica importante da evolução de sistemas complexos é
desnível, falta de monotonia. Períodos de acumulação gradual de pequenas mudanças às vezes são interrompidos por saltos qualitativos acentuados que alteram significativamente as propriedades do sistema. Geralmente estão associados aos chamados pontos de bifurcação- bifurcação, divisão do antigo caminho de evolução. Muito depende da escolha de uma ou outra continuação do caminho no ponto de bifurcação, até o surgimento e prosperidade de um novo mundo de partículas, substâncias, organismos, sociedades ou, inversamente, a morte do sistema. Mesmo para sistemas de decisão o resultado da escolha é muitas vezes imprevisível, e a própria escolha no ponto de bifurcação pode ser devida a um impulso aleatório. Algum sistema real pode ser apresentado na forma de alguma semelhança material ou imagem simbólica, ou seja, respectivamente analógico ou sinal modelo de sistema. A modelagem é inevitavelmente acompanhada por alguma simplificação e formalização das relações no sistema. Essa formalização pode ser
implementados na forma de relacionamentos lógicos (causais) e/ou matemáticos (funcionais) à medida que a complexidade dos sistemas aumenta, eles adquirem novas qualidades emergentes. Ao mesmo tempo, as qualidades de mais sistemas simples. Portanto, a diversidade geral das qualidades do sistema aumenta à medida que ele se torna mais complexo (Fig. 2.2).

Arroz. 2.2. Padrões de mudanças nas propriedades das hierarquias do sistema com um aumento em seu nível (de acordo com Fleishman, 1982):

1 - diversidade, 2 - estabilidade, 3 - emergência, 4 - complexidade, 5 - não identidade, 6 - prevalência

Para aumentar a atividade em relação às influências externas, as qualidades do sistema podem ser ordenadas na seguinte sequência: 1 - estabilidade, 2 - confiabilidade devido à consciência do ambiente (imunidade ao ruído), 3 - controlabilidade, 4 - auto- organização. Nesta série, cada qualidade subsequente faz sentido na presença da anterior.

Dificuldade de vapor estrutura do sistema é determinada pelo número P seus elementos e o número t

conexões entre eles. Se em qualquer sistema o número de estados discretos privados é investigado, então a complexidade do sistema Comé determinado pelo logaritmo do número de ligações:

C = log.(2.1)

Os sistemas são classificados condicionalmente por complexidade da seguinte forma: 1) sistemas com até mil estados (O <С < 3), относятся к simples; 2) sistemas com até um milhão de estados (3< С < 6), являют собой sistemas complexos; 3) sistemas com mais de um milhão de estados (C > 6) são identificados como muito complexo.

Todos os biossistemas naturais reais são muito complexos. Mesmo na estrutura de um único vírus, o número de estados moleculares biologicamente significativos excede o último valor.

A biosfera da Terra é caracterizada de certa forma pela circulação existente de substâncias e pelo fluxo de energia. O ciclo de substâncias é a participação repetida de substâncias nos processos que ocorrem na atmosfera, hidrosfera e litosfera, incluindo aquelas camadas que fazem parte da biosfera terrestre. A circulação da matéria é realizada com o fornecimento contínuo de energia externa do Sol e energia interna Terra.

Dependendo da força motriz, dentro da circulação de substâncias, pode-se distinguir os ciclos geológicos (grande circulação), biológicos (biogeoquímicos, pequena circulação) e antropogênicos.

Ciclo geológico (grande circulação de substâncias na biosfera)

Essa circulação redistribui a matéria entre a biosfera e os horizontes mais profundos da Terra. força motriz este processo são processos geológicos exógenos e endógenos. Os processos endógenos ocorrem sob a influência da energia interna da Terra. Esta é a energia liberada como resultado decaimento radioativo, reações químicas de formação de minerais, etc. K processos endógenos incluem, por exemplo, movimentos tectônicos, terremotos. Esses processos levam à formação formas grandes relevo (continentes, fossas oceânicas, montanhas e planícies). Processos exógenos ocorrem sob a influência da energia externa do Sol. Estes incluem a atividade geológica da atmosfera, hidrosfera, organismos vivos e humanos. Esses processos levam ao alisamento de grandes formas de relevo ( vales de rios, colinas, ravinas, etc.).

O ciclo geológico continua por milhões de anos e consiste no fato de que as rochas são destruídas e os produtos do intemperismo (incluindo os solúveis em água nutrientes) são transportados por fluxos de água para o Oceano Mundial, onde formam estratos marinhos e retornam apenas parcialmente à terra com precipitação. As alterações geotectónicas, os processos de subsidência dos continentes e a elevação do fundo do mar, a movimentação dos mares e oceanos durante muito tempo levam a que estes estratos voltem a terra e o processo recomece. O símbolo dessa circulação de substâncias é uma espiral, não um círculo, porque. o novo ciclo de circulação não repete exatamente o antigo, mas introduz algo novo.

Para grande ciclo refere-se ao ciclo da água (ciclo hidrológico) entre a terra e o oceano através da atmosfera (Fig. 3.2).

O ciclo da água como um todo desempenha um papel importante na formação das condições naturais do nosso planeta. Levando em conta a transpiração da água pelas plantas e sua absorção no ciclo biogeoquímico, todo o suprimento de água na Terra decai e é restaurado por 2 milhões de anos.

Arroz. 3. 2. Ciclo da água na biosfera.

No ciclo hidrológico, todas as partes da hidrosfera estão interligadas. Mais de 500 mil km3 de água participam dela todos os anos. A força motriz por trás desse processo é a energia solar. Moléculas de água sob a ação energia solar aquece e sobe na forma de gás para a atmosfera (evapora diariamente - 875 km3 água fresca). À medida que sobem, gradualmente esfriam, condensam e formam nuvens. Após resfriamento suficiente, as nuvens liberam água na forma de várias precipitações que caem de volta no oceano. A água que caiu no chão pode seguir duas jeitos diferentes: ou mergulhar no solo (infiltração) ou escorrer (escorrimento superficial). Na superfície, a água flui para córregos e rios que levam ao oceano ou a outros lugares onde ocorre a evaporação. A água absorvida no solo pode ser retida em suas camadas superiores (horizontes) e devolvida à atmosfera pela transpiração. Essa água é chamada capilar. A água que é levada pela gravidade e escoa pelos poros e rachaduras é chamada de água gravitacional. A água da gravidade escoa para uma camada impenetrável de rocha ou argila densa, preenchendo todos os vazios. Tais reservas são chamadas de águas subterrâneas, e seu limite superior é chamado de nível. lençóis freáticos. As camadas de rochas subterrâneas através das quais as águas subterrâneas fluem lentamente são chamadas de aquíferos. Sob a influência da gravidade, as águas subterrâneas se movem ao longo do aquífero até encontrar uma “saída” (por exemplo, formando nascentes naturais que alimentam lagos, rios, lagoas, ou seja, tornam-se parte de água da superfície). Assim, o ciclo da água inclui três "loops" principais: escoamento superficial, evaporação-transpiração, água subterrânea. Mais de 500 mil km3 de água estão envolvidos no ciclo da água na Terra todos os anos e desempenha um papel importante na formação das condições naturais.

Circulação biológica (biogeoquímica)

(pequena circulação de substâncias na biosfera)

A força motriz do ciclo biológico das substâncias é a atividade dos organismos vivos. É parte de um maior e ocorre dentro da biosfera no nível do ecossistema. Um pequeno ciclo consiste no fato de que nutrientes, água e carbono se acumulam na matéria das plantas (autótrofos), são gastos na construção de corpos e processos vitais, tanto plantas quanto outros organismos (geralmente animais - heterótrofos) que comem essas plantas. Os produtos de decomposição da matéria orgânica sob a ação de destruidores e microorganismos (bactérias, fungos, vermes) se decompõem novamente em componentes minerais. Essas substâncias inorgânicas podem ser reutilizadas para a síntese de substâncias orgânicas por autótrofos.

Nos ciclos biogeoquímicos, distinguem-se um fundo de reserva (substâncias que não estão associadas a organismos vivos) e um fundo de troca (substâncias que estão conectadas por troca direta entre organismos e seu ambiente imediato).

Dependendo da localização do fundo de reserva, os ciclos biogeoquímicos são divididos em dois tipos:

giros tipo de gás com um fundo de reserva de substâncias na atmosfera e hidrosfera (ciclos de carbono, oxigênio, nitrogênio).

Ciclos do tipo sedimentar com fundo de reserva na crosta terrestre (circulações de fósforo, cálcio, ferro, etc.).

Ciclos do tipo gás, com um grande fundo cambial, são mais perfeitos. Além disso, eles são capazes de auto-regulação rápida. Os ciclos do tipo sedimentar são menos perfeitos, são mais inertes, pois a maior parte da matéria está contida no fundo de reserva da crosta terrestre de uma forma inacessível aos organismos vivos. Tais ciclos são facilmente perturbados por vários tipos de influências, e parte do material trocado sai do ciclo. Só pode retornar à circulação como resultado de processos geológicos ou por extração por matéria viva.

A intensidade do ciclo biológico é determinada pela temperatura ambiente e pela quantidade de água. Por exemplo, o ciclo biológico prossegue mais intensamente em ambientes úmidos. As florestas tropicais do que na tundra.

Ciclos das principais substâncias e elementos biogênicos

O ciclo do carbono

Toda a vida na Terra é baseada no carbono. Cada molécula de um organismo vivo é construída com base em um esqueleto de carbono. Os átomos de carbono estão constantemente migrando de uma parte da biosfera para outra (Fig. 3. 3.).

Arroz. 3. 3. Ciclo do carbono.

As principais reservas de carbono da Terra estão na forma de dióxido de carbono (CO2) contido na atmosfera e dissolvido nos oceanos. As plantas absorvem moléculas de dióxido de carbono durante a fotossíntese. Como resultado, o átomo de carbono é convertido em uma variedade de compostos orgânicos e, assim, incluído na estrutura das plantas. Seguem várias opções:

restos de carbono nas plantas ® as moléculas das plantas são comidas pelos decompositores (organismos que se alimentam de matéria orgânica morta e ao mesmo tempo a decompõem em compostos inorgânicos) ® carbono é devolvido à atmosfera como CO2;

· as plantas são comidas pelos herbívoros ® o carbono é devolvido à atmosfera durante a respiração dos animais e à medida que se decompõem após a morte; ou herbívoros serão comidos por carnívoros e então o carbono retornará à atmosfera da mesma forma;

· após a morte, as plantas se transformam em combustíveis fósseis (por exemplo, em carvão) ® o carbono é devolvido à atmosfera após o uso de combustível, erupções vulcânicas e outros processos geotérmicos.

No caso de dissolução da molécula inicial de CO2 em água do mar várias opções também são possíveis: o dióxido de carbono pode simplesmente retornar à atmosfera (esse tipo de troca gasosa mútua entre os oceanos e a atmosfera ocorre constantemente); o carbono pode entrar nos tecidos de plantas ou animais marinhos, então gradualmente se acumulará na forma de sedimentos no fundo dos oceanos e eventualmente se transformará em calcário ou novamente passará dos sedimentos para a água do mar.

A taxa do ciclo de CO2 é de cerca de 300 anos.

A intervenção humana no ciclo do carbono (queima de carvão, petróleo, gás, desumidificação) leva a um aumento do teor de CO2 na atmosfera e ao desenvolvimento efeito estufa. Atualmente, o estudo do ciclo do carbono tornou-se uma tarefa importante para os cientistas envolvidos no estudo da atmosfera.

Ciclo de oxigênio

O oxigênio é o elemento mais comum na Terra (a água do mar contém 85,82% de oxigênio, ar atmosférico 23,15%, na crosta terrestre 47,2%). Os compostos de oxigênio são indispensáveis ​​para a manutenção da vida (desempenham um papel importante nos processos metabólicos e na respiração, fazem parte das proteínas, gorduras, carboidratos, a partir dos quais os organismos são “construídos”). Massa principal oxigênio está em estado vinculado(a quantidade de oxigênio molecular na atmosfera é de apenas 0,01% do conteúdo geral oxigênio na crosta terrestre).

Como o oxigênio é encontrado em muitos compostos químicos, sua circulação na biosfera é muito complexa e ocorre principalmente entre a atmosfera e os organismos vivos. A concentração de oxigênio na atmosfera é mantida através da fotossíntese, como resultado da qual as plantas verdes, sob a influência da luz solar, convertem dióxido de carbono e água em carboidratos e oxigênio. A maior parte do oxigênio é produzida por plantas terrestres - quase ¾, o restante - por organismos fotossintéticos dos oceanos. Uma poderosa fonte de oxigênio é a decomposição fotoquímica do vapor de água na alta atmosfera sob a influência de raios ultravioleta sol. Além disso, o oxigênio faz o ciclo mais importante, fazendo parte da água. Uma pequena quantidade de oxigênio é formada a partir do ozônio sob a influência da radiação ultravioleta.

A taxa do ciclo de oxigênio é de cerca de 2 mil anos.

O desmatamento, a erosão do solo, vários trabalhos de minas na superfície reduzem a massa total da fotossíntese e reduzem o ciclo do oxigênio em grandes áreas. Além disso, 25% do oxigênio gerado como resultado da assimilação é consumido anualmente para necessidades industriais e domésticas.

ciclo do nitrogênio

O ciclo biogeoquímico do nitrogênio, como os ciclos anteriores, cobre todas as áreas da biosfera (Fig. 3.4).

Arroz. 3. 4. Ciclo do nitrogênio.

O nitrogênio está incluído atmosfera da Terra desvinculado na forma moléculas diatômicas(aproximadamente 78% do volume total da atmosfera é nitrogênio). Além disso, o nitrogênio é encontrado em plantas e animais na forma de proteínas. As plantas sintetizam proteínas absorvendo nitratos do solo. Nitratos são formados a partir de compostos de nitrogênio atmosférico e amônio presentes no solo. O processo de conversão de nitrogênio atmosférico em uma forma utilizável por plantas e animais é chamado de fixação de nitrogênio. Quando a matéria orgânica apodrece, uma parte significativa do nitrogênio contido nelas se transforma em amônia, que, sob a influência de bactérias nitrificantes que vivem no solo, é então oxidada em amônia. ácido nítrico. Este ácido, reagindo com carbonatos no solo (por exemplo, carbonato de cálcio CaCO3), forma nitratos. Parte do nitrogênio é sempre liberada durante a decomposição na forma livre na atmosfera. Além disso, o nitrogênio livre é liberado durante a combustão de substâncias orgânicas, durante a combustão de lenha, carvão duro, turfa. Além disso, existem bactérias que, com acesso insuficiente ao ar, podem retirar oxigênio dos nitratos, destruindo-os com a liberação de nitrogênio livre. A atividade das bactérias desnitrificantes leva ao fato de que parte do nitrogênio da forma disponível para as plantas verdes (nitratos) se torna inacessível (nitrogênio livre). Assim, longe de todo o nitrogênio que fazia parte das plantas mortas retorna ao solo (parte dele é liberado gradativamente de forma livre).

Os processos que compensam a perda de nitrogênio incluem, em primeiro lugar, aqueles que ocorrem na atmosfera descargas elétricas, no qual uma certa quantidade de óxidos de nitrogênio é sempre formada (este último com água dá ácido nítrico, que se transforma em nitratos no solo). Outra fonte de reposição de compostos nitrogenados no solo é a atividade vital das chamadas azotobactérias, capazes de assimilar o nitrogênio atmosférico. Algumas dessas bactérias se instalam nas raízes das plantas da família das leguminosas, causando a formação de inchaços característicos - nódulos. As bactérias do nódulo, assimilando o nitrogênio atmosférico, processam-no em compostos de nitrogênio e as plantas, por sua vez, convertem este último em proteínas e outras substâncias complexas. Assim, na natureza, ocorre um ciclo contínuo de nitrogênio.

Devido ao fato de que todos os anos com a colheita as partes mais ricas em proteínas das plantas (por exemplo, grãos) são removidas dos campos, o solo “exige” aplicar fertilizantes que compensam a perda nele. elementos essenciais nutrição vegetal. Os principais usos são nitrato de cálcio (Ca(NO)2), nitrato de amônio (NH4NO3), nitrato de sódio (NANO3) e nitrato de potássio (KNO3). Além disso, em vez de fertilizantes químicos, são usadas as próprias plantas da família das leguminosas. Se a quantidade de fertilizantes artificiais de nitrogênio aplicada ao solo for excessivamente grande, os nitratos também entram no corpo humano, onde podem se transformar em nitritos, que são altamente tóxicos e podem causar câncer.

Ciclo do fósforo

A maior parte do fósforo está contida em rochas formadas em épocas geológicas passadas. O teor de fósforo na crosta terrestre é de 8 - 10 a 20% (em peso) e é encontrado aqui na forma de minerais (fluorapatita, clorapatita, etc.), que fazem parte dos fosfatos naturais - apatitas e fosforitos. O fósforo pode entrar no ciclo biogeoquímico como resultado do intemperismo das rochas. Os processos de erosão transportam fósforo para o mar na forma de apatita mineral. Na transformação do fósforo Grande papel desempenhado por organismos vivos. Os organismos extraem fósforo de solos e soluções de água. Além disso, o fósforo é transferido através das cadeias alimentares. Com a morte dos organismos, o fósforo retorna ao solo e ao lodo dos mares, e se concentra na forma de depósitos marinhos de fosfato, o que por sua vez cria condições para a criação de rochas ricas em fósforo (Fig. 3. 5. ).

Arroz. 3.5. O ciclo do fósforo na biosfera (de acordo com P. Duvigno, M. Tang, 1973; com mudanças).

No má aplicação fertilizantes fosfatados, como resultado da erosão hídrica e eólica (destruição sob a ação da água ou do vento), uma grande quantidade de fósforo é removida do solo. Por um lado, isso leva ao consumo excessivo de fertilizantes fosfatados e ao esgotamento de minérios contendo fósforo.

Por outro lado, o aumento do teor de fósforo no vias navegáveis sua transferência provoca um rápido aumento da biomassa de plantas aquáticas, "florescência de reservatórios" e sua eutrofização (enriquecimento com nutrientes).

Como as plantas retiram uma quantidade significativa de fósforo do solo e a reposição natural de compostos de fósforo do solo é extremamente insignificante, a aplicação de fertilizantes fosfatados no solo é uma das medidas mais importantes para aumentar a produtividade. Aproximadamente 125 milhões de toneladas são extraídas anualmente no mundo. minério de fosfato. A maior parte é gasta na produção de fertilizantes fosfatados.

Ciclo do enxofre

O principal fundo de reserva de enxofre é encontrado em sedimentos, solo e atmosfera. o papel principal no envolvimento do enxofre no ciclo biogeoquímico pertence aos microrganismos. Alguns deles são agentes redutores, outros são agentes oxidantes (Fig. 3. 6.).

Arroz. 3. 6. Ciclo de enxofre (de acordo com Yu. Odum, 1975).

Na natureza em em grande número são conhecidos vários sulfuretos de ferro, chumbo, zinco, etc.. Sulfeto de enxofre é oxidado na biosfera em sulfato de enxofre. Os sulfatos são absorvidos pelas plantas. Nos organismos vivos, o enxofre faz parte dos aminoácidos e proteínas, e nas plantas, além disso, faz parte dos óleos essenciais, etc. Os processos de destruição dos restos de organismos nos solos e nos lodos dos mares são acompanhados por complexas transformações de enxofre (os microrganismos criam numerosos compostos intermediários de enxofre). Após a morte dos organismos vivos, parte do enxofre é restaurada no solo pelos microrganismos a H2S, a outra parte é oxidada a sulfatos e é novamente incluída no ciclo. O sulfeto de hidrogênio formado na atmosfera é oxidado e retorna ao solo com a precipitação. Além disso, o sulfeto de hidrogênio pode formar novamente sulfetos "secundários", e o sulfato de enxofre cria gesso. Por sua vez, sulfetos e gesso são novamente destruídos e o enxofre retoma sua migração.

Além disso, o enxofre na forma de SO2, SO3, H2S e enxofre elementar é emitido por vulcões na atmosfera.

O ciclo do enxofre pode ser interrompido pela intervenção humana. A razão para isso é a queima de carvão e emissões da indústria química, resultando na formação de dióxido de enxofre, que interrompe os processos de fotossíntese e leva à morte da vegetação.

Assim, os ciclos biogeoquímicos proporcionam a homeostase da biosfera. No entanto, eles estão amplamente sujeitos à influência humana. E uma das ações antiecológicas mais poderosas de uma pessoa está associada à violação e até destruição dos ciclos naturais (tornam-se acíclicos).

Ciclo antropogênico

A força motriz do ciclo antropogênico é a atividade humana. Este ciclo inclui dois componentes: biológico, associado ao funcionamento de uma pessoa como organismo vivo, e técnico, associado ao atividade econômica de pessoas. O ciclo antropogênico, diferentemente dos ciclos geológicos e biológicos, não é fechado. Essa abertura causa o esgotamento dos recursos naturais e a poluição do ambiente natural.

Um grande ciclo geológico de substâncias minerais e água prossegue sob a influência de um grande número de fatores abióticos.

4.3.1. Circulação de substâncias em um grande ciclo geológico.

De acordo com a teoria das placas litosféricas, a camada externa da Terra consiste em vários blocos muito grandes (placas). Esta teoria pressupõe a existência de movimentos horizontais de poderosas placas litosféricas, com 100-150 km de espessura.

Ao mesmo tempo, dentro das dorsais meso-oceânicas, a chamada zona de rift. Há uma ruptura e separação das placas litosféricas com a formação de uma crosta oceânica jovem

Esse fenômeno é chamado de espalhamento do fundo do oceano. Assim, um fluxo de substâncias minerais sobe das profundezas do manto, formando rochas cristalinas jovens.

Em contraste com este processo, na zona de fossas oceânicas profundas, uma parte da crosta continental para outra, que é acompanhada pela imersão da parte periférica da placa no manto, ou seja, parte matéria sólida a crosta terrestre torna-se parte do manto terrestre. O processo que ocorre nas fossas oceânicas de profundidade é chamado de subducção da crosta oceânica.

O ciclo da água no planeta opera continuamente e em todos os lugares. Forças motrizes do ciclo da água energia térmica e gravidade. Sob a influência do calor, ocorrem evaporação, condensação do vapor d'água e outros processos, que consomem cerca de 50% da energia proveniente do sol. Sob a influência da gravidade - a queda das gotas de chuva, o fluxo dos rios, o movimento do solo e das águas subterrâneas. Muitas vezes essas causas atuam em conjunto, por exemplo, tanto os processos térmicos quanto a gravidade atuam na circulação atmosférica da água.

4.3.2. O ciclo dos elementos na natureza inanimada

É realizado de duas maneiras: migração da água e do ar. Os migrantes aéreos incluem: oxigênio, hidrogênio, nitrogênio, iodo.

Os migrantes de água incluem aquelas substâncias que migram principalmente em solos, águas superficiais e subterrâneas principalmente na forma de moléculas e íons: sódio, magnésio, alumínio, silício, fósforo, enxofre, cloro, potássio, manganês, ferro, cobalto, níquel, estrôncio, chumbo, etc. Os migrantes aéreos também fazem parte dos sais que migram na água. No entanto, a migração do ar é mais típica para eles.

4.4 Pequena circulação (biológica)

A massa de matéria viva na biosfera é relativamente pequena. Se for distribuído sobre a superfície da Terra, obter-se-á uma camada de apenas 1,5 cm.A Tabela 4.1 compara algumas características quantitativas da biosfera e de outras geosferas da Terra. A biosfera, responsável por menos de 10-6 massas de outras conchas do planeta, tem uma diversidade incomparavelmente maior e renova sua composição um milhão de vezes mais rápido.

Tabela 4.1

Comparação da biosfera com outras geosferas da Terra

*Substância viva com base no peso vivo

4.4.1. Funções da biosfera

Graças à biota da biosfera, realiza-se a parte predominante das transformações químicas no planeta. Daí o julgamento de V.I. Vernadsky sobre o enorme papel geológico transformador da matéria viva. Por evolução orgânica organismos vivos mil vezes (para diferentes ciclos de 103 a 105 vezes) passaram por si mesmos, por seus órgãos, tecidos, células, sangue, toda a atmosfera, todo o volume do Oceano Mundial, a maioria massas de solos, uma enorme massa de substâncias minerais. E eles não apenas sentiram falta disso, mas também modificaram o ambiente terrestre de acordo com suas necessidades.

Graças à capacidade de transformar a energia solar em energia de ligações químicas, as plantas e outros organismos desempenham uma série de funções biogeoquímicas fundamentais em escala planetária.

função de gás. Os seres vivos trocam constantemente oxigênio e dióxido de carbono com o meio ambiente nos processos de fotossíntese e respiração. As plantas têm desempenhado um papel decisivo na mudança de um ambiente redutor para um ambiente oxidante na evolução geoquímica do planeta e na formação da composição gasosa da atmosfera moderna. As plantas controlam rigorosamente as concentrações de O2 e CO2, que são ótimas para a totalidade de todos os organismos vivos modernos.

função de concentração. Passando pelo seu corpo grandes volumes ar e soluções naturais, os organismos vivos realizam a migração biogênica (movimento substancias químicas) e concentração de elementos químicos e seus compostos. Isso se aplica à biossíntese de matéria orgânica, à formação de ilhas de coral, à construção de conchas e esqueletos, ao aparecimento de camadas sedimentares de calcário, depósitos de certos minérios metálicos, acúmulo de nódulos de ferro-manganês, no fundo do oceano, etc. Os primeiros estágios da evolução biológica ocorreram no ambiente aquático. Os organismos aprenderam a extrair as substâncias de que precisam de uma solução aquosa diluída, multiplicando muitas vezes sua concentração em seus corpos.

A função redox da matéria viva está intimamente relacionada com a migração biogênica de elementos e a concentração de substâncias. Muitas substâncias na natureza são estáveis ​​e não sofrem oxidação em condições normais, por exemplo, o nitrogênio molecular é um dos elementos biogênicos mais importantes. Mas as células vivas têm catalisadores tão poderosos - enzimas que são capazes de realizar muitas reações redox milhões de vezes mais rápido do que pode ocorrer em um ambiente abiótico.

Função de informação da matéria viva da biosfera. Foi com o advento dos primeiros seres vivos primitivos que surgiram no planeta informações ativas (“vivas”), que diferem das informações “mortas”, que são um simples reflexo da estrutura. Os organismos foram capazes de receber informações conectando o fluxo de energia com uma estrutura molecular ativa que desempenha o papel de um programa. A capacidade de perceber, armazenar e processar informações moleculares passou por uma evolução avançada na natureza e se tornou o mais importante fator formador de sistemas ecológicos. Estoque total Informação genética biota é estimado em 1015 bits. A potência total do fluxo de informação molecular associada ao metabolismo e energia em todas as células da biota global chega a 1036 bit/s (Gorshkov et al., 1996).

4.4.2. Componentes do ciclo biológico.

O ciclo biológico é realizado entre todos os componentes da biosfera (ou seja, entre solo, ar, água, animais, microorganismos, etc.). Ocorre com a participação obrigatória de organismos vivos.

A radiação solar que atinge a biosfera carrega uma energia de cerca de 2,5 * 1024 J por ano. Apenas 0,3% é convertido diretamente em energia durante a fotossíntese. ligações químicas matéria orgânica, ou seja, envolvidos no ciclo biológico. E 0,1 - 0,2% da energia solar que cai sobre a Terra acaba por ser encerrada em puro produção primária. O destino posterior desta energia está relacionado com a transferência de matéria orgânica dos alimentos ao longo das cascatas de cadeias tróficas.

O ciclo biológico pode ser dividido condicionalmente em componentes inter-relacionados: o ciclo das substâncias e o ciclo da energia.

4.4.3. Ciclo de energia. Transformação de energia na biosfera

Um ecossistema pode ser descrito como uma coleção de organismos vivos que trocam continuamente energia, matéria e informação. A energia pode ser definida como a capacidade de realizar trabalho. As propriedades da energia, incluindo o movimento da energia nos ecossistemas, são descritas pelas leis da termodinâmica.

A primeira lei da termodinâmica ou a lei da conservação da energia afirma que a energia não desaparece e não é criada de novo, apenas muda de uma forma para outra.

A segunda lei da termodinâmica afirma que em Sistema fechado a entropia só pode aumentar. Com relação à energia nos ecossistemas, a seguinte formulação é conveniente: os processos associados à transformação da energia podem ocorrer espontaneamente somente se a energia passar de uma forma concentrada para uma forma difusa, ou seja, ela se degrada. Uma medida da quantidade de energia que se torna indisponível para uso, ou de outra forma, uma medida da mudança na ordem que ocorre quando a energia é degradada, é a entropia. Quanto maior a ordem do sistema, menor sua entropia.

Em outras palavras, a matéria viva recebe e transforma a energia do cosmos, do sol, na energia dos processos terrestres (químicos, mecânicos, térmicos, elétricos). Envolve essa energia e matéria inorgânica na circulação contínua de substâncias na biosfera. O fluxo de energia na biosfera tem uma direção - do Sol através das plantas (autótrofos) para os animais (heterotróficos). Ecossistemas naturais intocados em estado estável com indicadores ambientais importantes constantes (homeostase) são os sistemas mais ordenados e caracterizados pela menor entropia.

4.4.4. O ciclo das substâncias na natureza

A formação da matéria viva e sua decomposição são dois lados de um único processo, que é chamado de ciclo biológico dos elementos químicos. A vida é a circulação de elementos químicos entre os organismos e o meio ambiente.

A razão para o ciclo é a limitação dos elementos a partir dos quais os corpos dos organismos são construídos. Cada organismo extrai do meio ambiente as substâncias necessárias à vida e retorna sem uso. Em que:

alguns organismos consomem minerais diretamente do ambiente;

outros usam produtos processados ​​e isolados primeiro;

o terceiro - o segundo, etc., até que as substâncias retornem ao meio ambiente em seu estado original.

Na biosfera, é óbvia a necessidade da coexistência de vários organismos que podem utilizar os resíduos uns dos outros. Vemos uma produção biológica praticamente livre de resíduos.

O ciclo de substâncias em organismos vivos pode ser reduzido condicionalmente a quatro processos:

1. Fotossíntese. Como resultado da fotossíntese, as plantas absorvem e acumulam energia solar e sintetizam substâncias orgânicas - produtos biológicos primários - e oxigênio a partir de substâncias inorgânicas. Os produtos biológicos primários são muito diversos - eles contêm carboidratos (glicose), amido, fibras, proteínas, gorduras.

O esquema de fotossíntese do carboidrato mais simples (glicose) tem o seguinte esquema:

Este processo ocorre apenas durante o dia e é acompanhado por um aumento na massa das plantas.

Na Terra, cerca de 100 bilhões de toneladas de matéria orgânica são formadas anualmente como resultado da fotossíntese, cerca de 200 bilhões de toneladas de dióxido de carbono são assimiladas e cerca de 145 bilhões de toneladas de oxigênio são liberados.

A fotossíntese desempenha um papel decisivo na garantia da existência de vida na Terra. Seu significado global é explicado pelo fato de que a fotossíntese é o único processo durante o qual a energia no processo termodinâmico, de acordo com o princípio minimalista, não se dissipa, mas se acumula.

Ao sintetizar os aminoácidos necessários para a construção de proteínas, as plantas podem existir de forma relativamente independente de outros organismos vivos. Isso manifesta a autotrofia das plantas (autossuficiência em nutrição). Ao mesmo tempo, a massa verde das plantas e o oxigênio formado no processo de fotossíntese são a base para manter a vida do próximo grupo de organismos vivos - animais, microorganismos. Isso mostra a heterotrofia desse grupo de organismos.

2. Respiração. O processo é o inverso da fotossíntese. Ocorre em todas as células vivas. Ao respirar matéria orgânica oxidado pelo oxigênio, resultando na formação de dióxido de carbono, água e energia é liberada.

3. Relações nutricionais (tróficas) entre organismos autotróficos e heterotróficos. NO este caso há uma transferência de energia e matéria ao longo dos elos da cadeia alimentar, que discutimos com mais detalhes anteriormente.

4. O processo de transpiração. Um dos processos mais importantes do ciclo biológico.

Esquematicamente, pode ser descrito da seguinte forma. As plantas absorvem a umidade do solo através de suas raízes. Ao mesmo tempo, entram neles substâncias minerais dissolvidas na água, que são absorvidas e a umidade evapora mais ou menos intensamente, dependendo das condições ambientais.

4.4.5. Ciclos biogeoquímicos

Os ciclos geológicos e biológicos estão conectados - eles existem como um único processo, dando origem à circulação de substâncias, os chamados ciclos biogeoquímicos (BGCC). Essa circulação de elementos se deve à síntese e decomposição de substâncias orgânicas no ecossistema (Fig. 4.1) Nem todos os elementos da biosfera estão envolvidos no BHCC, mas apenas os biogênicos. Os organismos vivos consistem deles, esses elementos entram em inúmeras reações e participam dos processos que ocorrem nos organismos vivos. Em termos percentuais, a massa total da matéria viva da biosfera consiste nos seguintes elementos biogênicos principais: oxigênio - 70%, carbono - 18%, hidrogênio - 10,5%, cálcio - 0,5%, potássio - 0,3%, nitrogênio - 0 , 3%, (oxigênio, hidrogênio, nitrogênio, carbono estão presentes em todas as paisagens e são a base dos organismos vivos - 98%).

Essência da migração biogênica de elementos químicos.

Assim, na biosfera há um ciclo biogênico de substâncias (isto é, um ciclo causado pela atividade vital dos organismos) e um fluxo unidirecional de energia. A migração biogênica de elementos químicos é determinada principalmente por dois processos opostos:

1. A formação da matéria viva a partir dos elementos do meio ambiente devido à energia solar.

2. A destruição de substâncias orgânicas, acompanhada pela liberação de energia. Ao mesmo tempo, elementos de substâncias minerais entram repetidamente em organismos vivos, entrando assim na composição de compostos orgânicos complexos, formas e, então, quando estes são destruídos, eles novamente adquirem uma forma mineral.

Existem elementos que fazem parte dos organismos vivos, mas não relacionados aos biogênicos. Tais elementos são classificados de acordo com sua fração de peso nos organismos:

Macronutrientes - componentes de pelo menos 10-2% da massa;

Oligoelementos - componentes de 9 * 10-3 a 1 * 10-3% da massa;

Ultramicroelementos - menos de 9 * 10-6% da massa;

Para determinar o lugar dos elementos biogênicos entre outros elementos químicos da biosfera, consideremos a classificação adotada na ecologia. De acordo com a atividade mostrada nos processos que ocorrem na biosfera, todos os elementos químicos são divididos em 6 grupos:

Os gases nobres são hélio, neônio, argônio, criptônio, xenônio. Os gases inertes não fazem parte dos organismos vivos.

Metais nobres - rutênio, rádio, paládio, ósmio, irídio, platina, ouro. Esses metais quase não criam compostos na crosta terrestre.

Elementos cíclicos ou biogênicos (também chamados de migratórios). Este grupo de elementos biogênicos na crosta terrestre é responsável por 99,7% da massa total e os 5 grupos restantes - 0,3%. Assim, a maior parte dos elementos são migrantes que realizam a circulação na envoltória geográfica, e a parte dos elementos inertes é muito pequena.

Elementos dispersos, caracterizados pela predominância de átomos livres. Eles entram em reações químicas, mas seus compostos raramente são encontrados na crosta terrestre. Eles são divididos em dois subgrupos. Os primeiros - rubídio, césio, nióbio, tântalo - criam compostos nas profundezas da crosta terrestre e na superfície de seus minerais são destruídos. O segundo - iodo, bromo - reage apenas na superfície.

Elementos radioativos - polônio, radônio, rádio, urânio, neptúnio, plutônio.

Elementos de terras raras - ítrio, samário, európio, túlio, etc.

Ciclos bioquímicos durante todo o ano acionam cerca de 480 bilhões de toneladas de matéria.

DENTRO E. Vernadsky formulou três princípios biogeoquímicos que explicam a essência da migração biogênica de elementos químicos:

A migração biogênica de elementos químicos na biosfera sempre tende à sua manifestação máxima.

A evolução das espécies no decorrer do tempo geológico, levando à criação de formas de vida sustentáveis, prossegue em uma direção que potencializa a migração biogênica dos átomos.

A matéria viva está em contínua troca química com seu ambiente, o que é um fator que recria e mantém a biosfera.

Consideremos como alguns desses elementos se movem na biosfera.

O ciclo do carbono. O principal participante do ciclo biótico é o carbono como base das substâncias orgânicas. Principalmente o ciclo do carbono ocorre entre a matéria viva e o dióxido de carbono da atmosfera no processo de fotossíntese. Herbívoros obtêm com comida, predadores obtêm de herbívoros. Ao respirar, apodrecer, o dióxido de carbono é parcialmente devolvido à atmosfera, o retorno ocorre quando os minerais orgânicos são queimados.

Na ausência de retorno de carbono para a atmosfera, ele seria consumido pelas plantas verdes em 7-8 anos. A taxa de renovação biológica do carbono através da fotossíntese é de 300 anos. Os oceanos desempenham um papel importante na regulação do conteúdo de CO2 na atmosfera. Se o teor de CO2 aumenta na atmosfera, parte dele se dissolve na água, reagindo com o carbonato de cálcio.

O ciclo do oxigênio.

O oxigênio tem uma alta atividade química, entra em compostos com quase todos os elementos da crosta terrestre. Ocorre principalmente na forma de compostos. Cada quarto átomo de matéria viva é um átomo de oxigênio. Quase todo o oxigênio molecular na atmosfera se originou e é mantido em um nível constante devido à atividade das plantas verdes. O oxigênio atmosférico, ligado durante a respiração e liberado durante a fotossíntese, passa por todos os organismos vivos em 200 anos.

O ciclo do nitrogênio. O nitrogênio é parte integrante de todas as proteínas. A proporção total de nitrogênio ligado, como elemento constituinte de matéria orgânica, para nitrogênio na natureza é de 1:100.000. A energia de ligação química na molécula de nitrogênio é muito alta. Portanto, a combinação de nitrogênio com outros elementos - oxigênio, hidrogênio (o processo de fixação do nitrogênio) - requer muita energia. A fixação industrial de nitrogênio ocorre na presença de catalisadores a uma temperatura de -500°C e uma pressão de -300 atm.

Como você sabe, a atmosfera contém mais de 78% de nitrogênio molecular, mas neste estado não está disponível para plantas verdes. As plantas só podem usar sais de nitrogênio para sua nutrição. ácido nitroso. Quais são as formas de formação desses sais? Aqui estão alguns deles:

Na biosfera, a fixação do nitrogênio é realizada por diversos grupos de bactérias anaeróbias e cianobactérias em temperatura e pressão normais devido à alta eficiência da biocatálise. Acredita-se que as bactérias sejam convertidas em forma encadernada aproximadamente 1 bilhão de toneladas de nitrogênio por ano (o volume mundial de fixação industrial é de cerca de 90 milhões de toneladas).

As bactérias fixadoras de nitrogênio do solo são capazes de assimilar nitrogênio molecular do ar. Eles enriquecem o solo com compostos nitrogenados, então seu valor é extremamente alto.

Como resultado da decomposição de compostos contendo nitrogênio de substâncias orgânicas de origem vegetal e animal.

Sob a ação das bactérias, o nitrogênio é convertido em nitratos, nitritos, compostos de amônio. Nas plantas, os compostos de nitrogênio participam da síntese de compostos proteicos, que são transferidos de organismo para organismo nas cadeias alimentares.

Ciclo do fósforo. Outro elemento importante, sem o qual a síntese de proteínas é impossível, é o fósforo. As principais fontes são rochas ígneas (apatitas) e rochas sedimentares (fosforitos).

O fósforo inorgânico está envolvido no ciclo como resultado de processos naturais de lixiviação. O fósforo é assimilado por organismos vivos, que, com sua participação, sintetizam uma série de compostos orgânicos e os transferem para vários níveis tróficos.

Tendo terminado sua jornada ao longo das cadeias tróficas, os fosfatos orgânicos são decompostos por micróbios e se transformam em fosfatos minerais disponíveis para as plantas verdes.

No processo de circulação biológica, que garante o movimento de matéria e energia, não há lugar para o acúmulo de resíduos. Os produtos residuais (ou seja, produtos residuais) de cada forma de vida são o terreno fértil para outros organismos.

Teoricamente, a biosfera deve sempre manter um equilíbrio entre a produção de biomassa e sua decomposição. No entanto, em determinados períodos geológicos, o equilíbrio do ciclo biológico foi perturbado quando, devido a certas condições naturais, cataclismos, nem todos os produtos biológicos foram assimilados e transformados. Nesses casos, formaram-se excedentes de produtos biológicos, que foram conservados e depositados na crosta terrestre, sob a coluna d'água, sedimentos, e acabaram na zona de permafrost. Assim, formaram-se depósitos de carvão, petróleo, gás, calcário. Deve-se notar que eles não sujam a biosfera. A energia do Sol, acumulada no processo de fotossíntese, concentra-se em minerais orgânicos. Agora, queimando combustíveis fósseis orgânicos, uma pessoa libera essa energia.