Strana 1

Veľký geologický cyklus zahŕňa sedimentárne horniny v hĺbke zemská kôra, na dlhú dobu vypnutie prvkov v nich obsiahnutých zo systému biologického cyklu. Počas geologická história premenené sedimentárne horniny sa opäť na povrchu Zeme postupne ničia činnosťou živých organizmov, vody a vzduchu a opäť sa zaraďujú do kolobehu biosféry.

Veľký geologický cyklus prebieha počas stoviek tisícov alebo miliónov rokov. Spočíva v nasledovnom: skaly sú zničené, zvetrané a nakoniec odplavené vodou, ktorá prúdi do oceánov. Tu sa ukladajú na dne, tvoria sedimentárne horniny a len čiastočne sa vracajú na pevninu s organizmami, ktoré z vody odstránili ľudia alebo iné živočíchy.

V srdci veľkého geologického cyklu je proces prenosu minerálnych zlúčenín z jedného miesta na druhé v planetárnom meradle bez účasti živej hmoty.

Okrem malého obehu existuje veľký, geologický obeh. Niektoré látky sa dostávajú do hlbokých vrstiev Zeme (cez spodné sedimenty morí alebo iným spôsobom), kde dochádza k pomalým premenám s tvorbou rôzne zlúčeniny, minerálne a organické. Procesy geologického cyklu podporuje najmä vnútorná energia Zeme, jej aktívne jadro. Rovnaká energia prispieva k uvoľňovaniu látok na povrch Zeme. Uzatvára sa tak veľký obeh látok. Trvá to milióny rokov.

Čo sa týka rýchlosti a intenzity veľkého geologického obehu látok, v súčasnosti, akokoľvek presné sa dajú uviesť údaje, existujú len približné odhady, a to len pre exogénnu zložku všeobecného cyklu, t.j. bez zohľadnenia prílevu hmoty z plášťa do zemskej kôry.

Tento uhlík sa zúčastňuje veľkého geologického cyklu. Tento uhlík v procese malého biotického cyklu udržiava plynovú rovnováhu biosféry a života vo všeobecnosti.

Pevný odtok niektorých riek sveta.

Príspevok biosférických a technosférických komponentov k veľkému geologickému cyklu látok Zeme je veľmi významný: neustále progresívny rast technosférických komponentov je spôsobený rozširovaním sféry ľudskej výrobnej činnosti.

Pretože na zemského povrchu hlavný technobio-geochemický tok smeruje v rámci veľkej geologickej cirkulácie látok na 70 % pevniny do oceánu a na 30 % - do uzavretých bezodtokových depresií, vždy však z vyšších úrovní na nižšie v dôsledku tzv. akcie gravitačné sily V súlade s tým sa materiál zemskej kôry tiež rozlišuje od vysokých po nízke nadmorské výšky, od pevniny po oceán. Spätné toky (atmosférický transport, ľudská činnosť, tektonické pohyby, vulkanizmus, migrácia organizmov) tento všeobecný pohyb hmoty smerom nadol do určitej miery komplikujú, vytvárajú miestne migračné cykly, ale vo všeobecnosti ho nemenia.

Cirkulácia vody medzi pevninou a oceánom cez atmosféru sa vzťahuje na veľký geologický cyklus. Voda sa vyparuje z povrchu oceánov a buď sa prenáša na pevninu, kde padá vo forme zrážok, ktoré sa opäť vracajú do oceánu vo forme povrchového a podzemného odtoku, alebo padá ako zrážky na povrch oceánu. Na kolobehu vody na Zemi sa každoročne zúčastňuje viac ako 500 tisíc km3 vody. Vodný cyklus ako celok zohráva hlavnú úlohu pri formovaní prírodné podmienky na našej planéte. Ak vezmeme do úvahy transpiráciu vody rastlinami a jej absorpciu v biogeochemickom cykle, celá zásoba vody na Zemi sa rozpadne a obnoví sa za 2 milióny rokov.

Podľa jeho znenia biologický cyklus látky sa vyvíjajú na časti trajektórie veľkého, geologického cyklu látok v prírode.

Transport hmoty po povrchu a podzemnej vody- to je hlavný faktor z hľadiska pozemkovej diferenciácie glóbus geochemicky, ale nie jediný, a ak hovoríme o veľkej geologickej cirkulácii látok na zemskom povrchu ako celku, tak veľmi významnú úlohu v nej zohrávajú toky, najmä oceánsky a atmosférický transport.

Čo sa týka rýchlosti a intenzity veľkého geologického obehu látok, v súčasnosti nie je možné uviesť žiadne presné údaje, existujú len približné odhady a to len pre exogénnu zložku všeobecného cyklu, t.j. bez zohľadnenia prílevu hmoty z plášťa do zemskej kôry. Exogénnou zložkou veľkého geologického obehu látok je neustále prebiehajúci proces denudácie zemského povrchu.

V biosfére existuje globálny (veľký alebo geologický) obeh látok, ktoré existovali ešte pred objavením sa prvých živých organizmov. Zahŕňa rôzne chemické prvky. Geologický cyklus sa uskutočňuje vďaka slnečnému, gravitačnému, tektonickému a vesmírne druhy energie.

S príchodom živej hmoty na základe geologického cyklu vznikol kolobeh organickej hmoty - malý (biotický, resp. biologický) cyklus.

Biotický cyklus látok je nepretržitý, cyklický, časovo a priestorovo nerovnomerný proces pohybu a premeny látok, ku ktorému dochádza počas priama účasťživé organizmy. Ide o nepretržitý proces tvorby a ničenia organickej hmoty a realizuje sa za účasti všetkých troch skupín organizmov: producentov, konzumentov a rozkladačov. V biotických cykloch sa zúčastňuje asi 40 biogénnych prvkov. Najvyššia hodnota pre živé organizmy majú cykly uhlíka, vodíka, kyslíka, dusíka, fosforu, síry, železa, draslíka, vápnika a horčíka.

Ako sa živá hmota vyvíja, všetko sa neustále získava z geologického cyklu. viac položiek ktoré vstupujú do nového biologického cyklu. Celková hmotnosť látok popola zapojených ročne do biotického cyklu látok len na súši je asi 8 miliárd ton. To je niekoľkonásobok hmotnosti produktov erupcie všetkých sopiek na svete počas celého roka. Rýchlosť obehu hmoty v biosfére je rôzna. Živá hmota biosféry sa aktualizuje v priemere 8 rokov, množstvo fytoplanktónu v oceáne sa aktualizuje denne. Všetok kyslík v biosfére prejde živou hmotou za 2000 rokov a oxid uhličitý- už 300 rokov.

V ekosystémoch prebiehajú miestne biotické cykly a v biosfére sa uskutočňujú biogeochemické cykly atómovej migrácie, ktoré nielen spájajú všetky tri vonkajšie obaly planéty do jedného celku, ale určujú aj nepretržitý vývoj jej zloženia.

ATMOSFÉRA HYDROSFÉRA

­ ¯ ­ ¯

ŽIVÁ LÁTKA

PÔDA

Evolúcia biosféry

Biosféra sa objavila s narodením prvých živých organizmov asi pred 3,5 miliardami rokov. V priebehu vývoja života sa to menilo. Etapy vývoja biosféry možno rozlíšiť s prihliadnutím na charakteristiky typu ekosystémov.

1. Vznik a vývoj života vo vode. Etapa je spojená s existenciou vodné ekosystémy. V atmosfére nebol žiadny kyslík.

2. Vznik živých organizmov na súši, vývoj súš-vzduchového prostredia a pôdy a vznik suchozemských ekosystémov. Umožnila to prítomnosť kyslíka v atmosfére a ozónový štít. Stalo sa to pred 2,5 miliardami rokov.

3. Vzhľad človeka, premeniť ho na biosociálna bytosť a vznik antropoekosystémov nastal pred 1 miliónom rokov.

4. Prechod biosféry pod vplyvom inteligentnej ľudskej činnosti na novú kvalitný stav- do noosféry.

Noosféra

najvyšší stupeň Vývojom biosféry je noosféra – štádium rozumnej regulácie vzťahu medzi človekom a prírodou. Tento termín bol zavedený v roku 1927 francúzsky filozof E. Leroy. Veril, že noosféra zahŕňa ľudskú spoločnosť s jej priemyslom, jazykom a ďalšími atribútmi inteligentnej činnosti. V 30-40 rokoch. XX storočia V.I. Vernadsky vyvinul materialistické predstavy o noosfére. Veril, že noosféra vzniká v dôsledku interakcie biosféry a spoločnosti, je riadená blízky vzťah zákonov prírody, myslenia a sociálno-ekonomických zákonitostí spoločnosti a zdôraznil, že

noosféra (sféra mysle) - štádium rozvoja biosféry, keď sa inteligentná činnosť ľudí stane hlavným určujúcim faktorom jej trvalo udržateľného rozvoja.

Noosféra je nové, vyššie štádium biosféry, spojené so vznikom a rozvojom ľudstva v nej, ktoré sa poznaním prírodných zákonov a zdokonaľovaním techniky stáva najväčšia sila, mierou porovnateľné s geologickými a začína mať rozhodujúci vplyv na priebeh procesov na Zemi, pričom ju svojou prácou hlboko mení. Formovanie a rozvoj ľudstva sa prejavilo vznikom nových foriem výmeny hmoty a energie medzi spoločnosťou a prírodou, v neustále sa zvyšujúcom vplyve človeka na biosféru. Noosféra príde vtedy, keď bude ľudstvo s pomocou vedy schopné zmysluplne riadiť prírodné a spoločenské procesy. Noosféru preto nemožno považovať za špeciálnu škrupinu Zeme.

Veda o riadení vzťahu medzi ľudskou spoločnosťou a prírodou sa nazýva noogenika.

Hlavným cieľom noogeniky je plánovanie súčasnosti pre budúcnosť a jej hlavnými úlohami je náprava porušení vo vzťahu medzi človekom a prírodou spôsobených pokrokom techniky, vedomá kontrola vývoja biosféry. . Malo by sa vytvoriť plánované, vedecky podložené využívanie prírodných zdrojov, ktoré by v kolobehu látok zabezpečilo obnovenie toho, čo človek porušil, na rozdiel od spontánneho, dravého postoja k prírode, ktorý vedie k zhoršeniu stavu. životné prostredie. To si vyžaduje trvalo udržateľný rozvoj spoločnosti, ktorá uspokojuje potreby súčasnosti bez toho, aby bola ohrozená schopnosť budúcich generácií uspokojovať svoje vlastné potreby.

V súčasnosti sa planéta sformovala biotechnosféra - časť biosféry, radikálne pretvorená človekom na inžinierske stavby: mestá, továrne a továrne, lomy a bane, cesty, priehrady a nádrže atď.

BIOSFÉRA A ČLOVEK

Biosféra pre človeka je a biotop a zdroj prírodných zdrojov.

Prírodné zdroje – prírodné predmety a javy, ktoré človek využíva v pracovnom procese. Poskytujú ľuďom jedlo, oblečenie, prístrešie. Podľa stupňa vyčerpania sa delia na vyčerpateľné a nevyčerpateľné . Vyčerpateľné zdroje sa delia na obnoviteľné a neobnoviteľné . Neobnoviteľné zdroje zahŕňajú tie zdroje, ktoré sa neobnovujú (alebo sa obnovujú stokrát pomalšie, ako sa míňajú): ropa, uhlie, kovové rudy a väčšina nerastov. Obnoviteľné prírodné zdroje – pôda, vegetácia a zvieracieho sveta, minerály ( soľ). Tieto zdroje sa neustále obnovujú rôznym tempom: zvieratá - niekoľko rokov, lesy - 60-80 rokov, pôdy, ktoré stratili svoju úrodnosť - niekoľko tisícročí. Prekročenie miery spotreby nad mieru reprodukcie vedie k úplnému zániku zdroja.

Nevyčerpateľné zdroje zahŕňajú vodu, klimatické (atmosférický vzduch a veterná energia) a vesmír: slnečné žiarenie, energiu morské prílivy a odlivy. Rastúce znečistenie životného prostredia si však vyžaduje implementáciu environmentálnych opatrení na zachovanie týchto zdrojov.

Spokojnosť ľudské potreby nemysliteľné bez využívania prírodných zdrojov.

Všetky druhy ľudskej činnosti v biosfére možno spojiť do štyroch foriem.

1. Zmena štruktúry zemského povrchu(orba pôdy, odvodňovanie vodných plôch, odlesňovanie, budovanie kanálov). Ľudstvo sa stáva mocnou geologickou silou. Človek využíva 75 % pôdy, 15 % riečnych vôd, každú minútu sa vyrúbe 20 hektárov lesov.

· Geologické a geomorfologické zmeny - zintenzívnenie tvorby roklín, vznik a frekvencia bahnotok a zosuvov.

Komplexné (krajinné) zmeny – porušenie celistvosti a prirodzená štruktúra krajiny, jedinečnosť prírodných pamiatok, strata úrodnej pôdy, dezertifikácia.

Všetky látky na planéte sú v procese obehu. Slnečná energia spôsobuje na Zemi dva cykly hmoty: veľké (geologické, biosférické) a malý (biologický).

Veľký obeh látok v biosfére charakterizujú dva dôležité body: vykonáva sa v celom rozsahu geologický vývoj Zem a je moderným planetárnym procesom, ktorý zohráva vedúcu úlohu ďalší vývoj biosféra.

Geologický cyklus je spojený so vznikom a deštrukciou hornín a následným pohybom produktov deštrukcie – troskového materiálu a chemických prvkov. Významnú úlohu v týchto procesoch zohrávali a zohrávajú tepelné vlastnosti povrchu pôdy a vody: absorpcia a odraz slnečného žiarenia, tepelná vodivosť a tepelná kapacita. Nestabilný hydrotermálny režim zemského povrchu spolu s planetárnym atmosférickým obehovým systémom determinovali geologický obeh látok, ktorý v počiatočnom štádiu vývoja Zeme spolu s endogénnymi procesmi súvisel so vznikom kontinentov, oceánov a moderných geosféry. S vytvorením biosféry boli produkty životnej činnosti organizmov zahrnuté do veľkého cyklu. Geologický cyklus zásobuje živé organizmy živinami a do značnej miery určuje podmienky ich existencie.

Hlavné chemické prvky litosféry: kyslík, kremík, hliník, železo, horčík, sodík, draslík a iné - podieľajú sa na veľkom obehu, prechádzajúcom z hlbokých častí vrchného plášťa na povrch litosféry. magmatická hornina, ktorý vznikol počas kryštalizácie magmy, po vstupe na povrch litosféry z hlbín Zeme podlieha rozkladu a zvetrávaniu v biosfére. Poveternostné produkty prechádzajú do mobilného stavu, sú odnášané vodami, vetrom na nízke miesta reliéfu, padajú do riek, oceánu a vytvárajú hrubé vrstvy sedimentárnych hornín, ktoré sa časom ponárajú do hĺbky v oblastiach so zvýšenou teplotou a tlakom. , prechádzajú metamorfózou, teda „pretavením“. Pri tomto pretavovaní sa objavuje nová metamorfovaná hornina, ktorá sa dostáva do horných horizontov zemskej kôry a opäť vstupuje do obehu látok. (ryža.).

Najintenzívnejšie a najrýchlejšie prechádzajú ľahko mobilné látky - plyny a prírodné vody, ktoré tvoria atmosféru a hydrosféru planéty. Materiál litosféry koluje oveľa pomalšie. Vo všeobecnosti je každá cirkulácia akéhokoľvek chemického prvku súčasťou všeobecnej veľkej cirkulácie látok na Zemi a všetky sú úzko prepojené. Živá hmota biosféry v tejto cirkulácii robí skvelú prácu pri prerozdeľovaní chemických prvkov, ktoré neustále cirkulujú v biosfére a presúvajú sa z vonkajšie prostredie do organizmov a späť do životného prostredia.

Malý alebo biologický obeh látok- Toto

obeh látok medzi rastlinami, živočíchmi, hubami, mikroorganizmami a pôdou. Podstatou biologického cyklu je prúdenie dvoch protikladných, ale vzájomne súvisiacich procesov – tvorby organických látok a ich ničenia. Prvé štádium Vznik organických látok je spôsobený fotosyntézou zelených rastlín, t.j. tvorbou živej hmoty z oxidu uhličitého, vody a jednoduchých minerálnych zlúčenín pomocou slnečnej energie. Rastliny (producenti) extrahujú z pôdy v roztoku molekuly síry, fosforu, vápnika, draslíka, horčíka, mangánu, kremíka, hliníka, zinku, medi a ďalších prvkov. Bylinožravé živočíchy (konzumenti I. rádu) absorbujú zlúčeniny týchto prvkov už vo forme potravy rastlinného pôvodu. Dravce (konzumenti druhého rádu) sa živia bylinožravými živočíchmi, konzumujú viac ako komplexné zloženie vrátane bielkovín, tukov, aminokyselín a iných látok. V procese ničenia organických látok odumretých rastlín a zvyškov zvierat mikroorganizmami (rozkladačmi) do pôdy a vodné prostredie vstupujú jednoduché minerálne zlúčeniny dostupné na asimiláciu rastlinami a začína sa ďalšie kolo biologického cyklu (obr. 33).

Vznik a vývoj noosféry

Evolúcia organického sveta na Zemi prešla niekoľkými etapami.Prvá je spojená so vznikom biologického cyklu látok v biosfére. Druhý sprevádzala formácia mnohobunkové organizmy. Tieto dve fázy sa nazývajú biogenéza.Tretia fáza je spojená so vzhľadom ľudská spoločnosť, pod vplyvom ktorého moderné podmienky dochádza k evolúcii biosféry a jej premene na sféru mysle-noosféry (z gr.-myseľ,-guľa). Noosféra je nový stav biosféry, kedy sa inteligentná ľudská činnosť stáva hlavným faktorom, ktorý určuje jej vývoj. Termín „noosféra“ zaviedol E. Leroy. VI Vernadsky prehĺbil a rozvinul doktrínu noosféry. Napísal: "Noosféra je nový geologický fenomén na našej planéte. V nej sa človek stáva hlavnou geologickou silou." V. I. Vernadskij vyčlenil nevyhnutné predpoklady pre vznik noosféry: 1. Ľudstvo sa stalo jednotným celkom 2. Možnosť okamžitej výmeny informácií 3. Skutočná rovnosť ľudí. 6. Vylúčenie vojen zo života spoločnosti. Vytvorenie týchto predpokladov je možné v dôsledku explózie vedeckého myslenia v dvadsiatom storočí.

Téma - 6. Príroda - človek: systematický prístup. Cieľ prednášky: Vytvoriť holistický pohľad na systémové postuláty ekológie.

Hlavné otázky: 1. Pojem systém a komplexné biosystémy 2. Vlastnosti biologických systémov 3. Systémové postuláty: zákon univerzálnej komunikácie, environmentálnych zákonov B. Commoner, Zákon veľkých čísel, Le Chatelierov princíp, Zákon spätnej väzby v prírode a zákon nemennosti množstva živej hmoty. 4. Modely interakcií v systémoch " príroda je človek“ a „človek-ekonomika-biota-životné prostredie“.

ekologický systém- hlavný predmet ekológie. Ekológia má systémový charakter a svojou teoretickou formou je jej blízka všeobecná teória systémov. Podľa všeobecnej teórie systémov je systém skutočný alebo mysliteľný súbor častí, ktorých integrálne vlastnosti sú určené interakciou medzi časťami (prvkami) systému. V reálnom živote je systém definovaný ako súbor objektov spojených určitou formou pravidelnej interakcie alebo vzájomnej závislosti. danú funkciu. V materiáli sú určité hierarchie - usporiadané postupnosti časopriestorovej podriadenosti a komplikácie systémov. Všetky odrody nášho sveta môžu byť reprezentované ako tri postupne vznikajúce hierarchie. Ide o hlavnú, prírodnú, fyzikálno-chemicko-biologickú (P, X, B) hierarchiu a dve vedľajšie, ktoré vznikli na jej základe, sociálnu (S) a technickú (T) hierarchiu. Existencia toho druhého v celku spätná väzba nejakým spôsobom ovplyvňuje hlavnú hierarchiu. Kombinovanie systémov z rôznych hierarchií vedie k „zmiešaným“ triedam systémov. Kombináciou systémov z fyzikálno-chemickej časti hierarchie (F, X - "prostredie") so živými systémami biologickej časti hierarchie (B - "biota") teda vzniká zmiešaná trieda systémov tzv. ekologické. Spojenie systémov z hierarchií C

("človek") a T ("technológia") vedie k triede ekonomických, príp technické a ekonomické, systémov.

Ryža. . Hierarchie materiálové systémy:

F, X - fyzikálne a chemické, B - biologické, C - sociálne, T - technické

Malo by byť zrejmé, že vplyv ľudskej spoločnosti na prírodu, znázornený na diagrame, sprostredkovaný technológiou a technológiou (technogenéza), sa vzťahuje na celú hierarchiu prírodných systémov: nižšiu vetvu - na abiotické prostredie, horná - do bioty biosféry. Nižšie sa budeme zaoberať nepredvídateľnosťou environmentálnych a technických a ekonomických aspektov tejto interakcie.

Všetky systémy majú nejaké všeobecné vlastnosti:

1. Každý systém má špecifické štruktúra, určený formou časopriestorových spojení alebo interakcií medzi prvkami systému. Samotný štrukturálny poriadok neurčuje organizáciu systému. Systém je možné zavolať organizovaný ak je jej existencia buď nevyhnutná na udržanie nejakej funkčnej (vykonávajúcej určitú prácu) štruktúry, alebo naopak závisí od činnosti takejto štruktúry.

2. Podľa zásada nevyhnutnej rozmanitosti systém nemôže pozostávať z rovnakých prvkov zbavených individuality. Dolná hranica diverzity je najmenej dva prvky (protón a elektrón, proteín a nukleová kyselina, "on" a "ona"), horná je nekonečno. Rozmanitosť je najdôležitejšou informačnou charakteristikou systému. Odlišuje sa od počtu druhov prvkov a dá sa merať 3. Vlastnosti systému nemožno pochopiť len na základe vlastností jeho častí. Rozhodujúca je interakcia medzi prvkami. Z jednotlivých častí stroja pred montážou nie je možné posúdiť činnosť stroja. Pri oddelenom štúdiu niektorých foriem húb a rias nie je možné predpovedať existenciu ich symbiózy vo forme lišajníka. Kombinovaný účinok dvoch alebo viacerých rôznych faktorov na organizmus sa takmer vždy líši od súčtu ich samostatných účinkov. Stupeň neredukovateľnosti vlastností systému na súčet vlastností jednotlivých prvkov, z ktorých sa skladá, určuje vznik systémov.

4. Alokácia systému rozdeľuje jeho svet na dve časti – systém samotný a jeho prostredie. V závislosti od prítomnosti (neprítomnosti) výmeny hmoty, energie a informácií s prostredím sú v zásade možné: izolovaný systémy (nie je možná výmena); ZATVORENÉ systémy (nemožná výmena hmoty); OTVORENÉ systémov (výmena hmoty a energie je možná). Výmena energie určuje výmenu informácií. V prírode sú len otvorené dynamický systémov, medzi vnútorné prvky ktoré a prvky prostredia uskutočňujú prenos hmoty, energie a informácií. akýkoľvek živý systém- od vírusu po biosféru - je otvorený dynamický systém.

5. Prevaha vnútorné interakcie v systéme nad vonkajšími a labilita systému vo vzťahu k externému
akcie to definujú schopnosť sebazáchovy vďaka kvalitám organizácie, vytrvalosti a stability. Vonkajší vplyv na systém, ktorý presahuje silu a flexibilitu jeho vnútorných interakcií, vedie k nezvratným zmenám.
a smrť systému. Stabilita dynamického systému je udržiavaná jeho nepretržitou vonkajšou cyklickou prácou. To si vyžaduje prúdenie a premenu energie na toto. tému. Pravdepodobnosť dosiahnutia hlavný cieľ systému - sebazáchovy (aj prostredníctvom sebareprodukcie) je definovaný ako jeho potenciálna efektívnosť.

6. Pôsobenie systému v čase sa nazýva správanie. spôsobil vonkajší faktor zmena správania je definovaná ako reakciu systému, a zmena reakcie systému, spojená so zmenou štruktúry a zameraná na stabilizáciu správania, ako jeho príslušenstvo, alebo prispôsobenie. Konsolidácia adaptačných zmien v štruktúre a väzbách systému v čase, pri ktorom sa zvyšuje jeho potenciálna efektívnosť, sa považuje za vývoj, alebo evolúcia, systémov. Vznik a existencia všetkých hmotných systémov v prírode je spôsobená evolúciou. Dynamické systémy sa vyvíjajú v smere od pravdepodobnejšej k menej pravdepodobnej organizácii, t.j. vývoj postupuje cestou komplikácií organizácie a tvorba subsystémov v štruktúre systému. V prírode sú všetky formy správania systému - od elementárna reakcia pred globálnou evolúciou – v podstate nelineárne. Dôležitou črtou vývoja zložitých systémov je
nerovnosť, nedostatok monotónnosti. Obdobia postupného hromadenia drobných zmien sú niekedy prerušované prudkými kvalitatívnymi skokmi, ktoré výrazne menia vlastnosti systému. Zvyčajne sa spájajú s tzv bifurkačné body- rozdvojenie, rozštiepenie bývalej cesty vývoja. Veľa závisí od voľby jedného alebo druhého pokračovania cesty v bode bifurkácie až po vznik a prosperitu nového sveta častíc, látok, organizmov, spoločností alebo naopak, smrť systému. Dokonca pre rozhodovacie systémy výsledok voľby je často nepredvídateľný a samotný výber v bode rozdvojenia môže byť spôsobený náhodným impulzom. akýkoľvek skutočný systém môžu byť prezentované vo forme nejakej vecnej podobnosti alebo symbolického obrazu, t.j. respektíve analóg alebo znak systémový model. Modelovanie je nevyhnutne sprevádzané určitým zjednodušením a formalizáciou vzťahov v systéme. Táto formalizácia môže byť
realizované vo forme logických (kauzálnych) a/alebo matematických (funkčných) vzťahov.S narastajúcou zložitosťou systémov získavajú nové vznikajúce kvality. Zároveň kvality viac jednoduché systémy. Preto sa celková rozmanitosť kvalít systému zvyšuje, čím sa stáva komplexnejším (obr. 2.2).

Ryža. 2.2. Vzorce zmien vlastností systémových hierarchií so zvýšením ich úrovne (podľa Fleishmana, 1982):

1 - rozmanitosť, 2 - stabilita, 3 - vznik, 4 - komplexnosť, 5 - neidentita, 6 - prevalencia

V poradí zvyšovania aktivity vo vzťahu k vonkajším vplyvom možno kvality systému zoradiť v nasledujúcom poradí: 1 - stabilita, 2 - spoľahlivosť vďaka uvedomeniu si okolia (odolnosť voči hluku), 3 - ovládateľnosť, 4 - vlastná Organizácia. V tejto sérii má každá nasledujúca kvalita zmysel v prítomnosti predchádzajúcej.

Obtiažnosť Steam štruktúra systému je určená číslom P jeho prvky a počet t

spojenia medzi nimi. Ak sa v akomkoľvek systéme skúma počet súkromných diskrétnych stavov, potom zložitosť systému S je určená logaritmom počtu väzieb:

C=logm.(2.1)

Systémy sú podmienene klasifikované podľa zložitosti takto: 1) systémy s až tisícimi stavmi (O <С < 3), относятся к jednoduchý; 2) systémy s až miliónom stavov (3< С < 6), являют собой komplexné systémy; 3) systémy s viac ako miliónom stavov (C > 6) sú označené ako veľmi zložité.

Všetky skutočné prírodné biosystémy sú veľmi zložité. Dokonca aj v štruktúre jedného vírusu počet biologicky významných molekulárnych stavov prevyšuje druhú hodnotu.

Biosféru Zeme určitým spôsobom charakterizuje existujúca cirkulácia látok a tok energie. Cyklus látok je opakovaná účasť látok na procesoch, ktoré sa vyskytujú v atmosfére, hydrosfére a litosfére, vrátane tých vrstiev, ktoré sú súčasťou biosféry Zeme. Obeh hmoty sa uskutočňuje s nepretržitým prísunom vonkajšej energie zo Slnka a vnútornej energie Zem.

V závislosti od hnacej sily možno v rámci obehu látok rozlišovať cykly geologické (veľký obeh), biologické (biogeochemické, malý obeh) a antropogénne cykly.

Geologický cyklus (veľký obeh látok v biosfére)

Táto cirkulácia prerozdeľuje hmotu medzi biosféru a hlbšie horizonty Zeme. hnacia sila tento proces sú exogénne a endogénne geologické procesy. Endogénne procesy prebiehajú pod vplyvom vnútornej energie Zeme. Toto je energia uvoľnená ako výsledok rádioaktívny rozpad, chemické reakcie tvorby minerálov atď. K endogénne procesy patria napríklad tektonické pohyby, zemetrasenia. Tieto procesy vedú k vzniku veľké formyúľava (kontinenty, oceánske priekopy, hory a roviny). Exogénne procesy prebiehajú pod vplyvom vonkajšej energie Slnka. Patrí medzi ne geologická aktivita atmosféry, hydrosféry, živých organizmov a človeka. Tieto procesy vedú k vyhladzovaniu veľkých terénnych útvarov ( riečne údolia, kopce, rokliny atď.).

Geologický cyklus pokračuje milióny rokov a spočíva v tom, že sa ničia horniny a produkty zvetrávania (vrátane tých, ktoré sú rozpustné vo vode). živiny) sú vodnými tokmi unášané do Svetového oceánu, kde vytvárajú morské vrstvy a len čiastočne sa so zrážkami vracajú na pevninu. Geotektonické zmeny, procesy poklesu kontinentov a stúpanie morského dna, pohyb morí a oceánov po dlhú dobu vedú k tomu, že tieto vrstvy sa vracajú na súš a proces začína znova. Symbolom tohto obehu látok je špirála, nie kruh, pretože. nový cyklus obehu presne neopakuje ten starý, ale zavádza niečo nové.

Komu veľký cyklus označuje kolobeh vody (hydrologický cyklus) medzi pevninou a oceánom cez atmosféru (obr. 3.2).

Vodný cyklus ako celok zohráva veľkú úlohu pri formovaní prírodných podmienok na našej planéte. Ak vezmeme do úvahy transpiráciu vody rastlinami a jej absorpciu v biogeochemickom cykle, celá zásoba vody na Zemi sa rozpadne a obnoví sa na 2 milióny rokov.

Ryža. 3. 2. Kolobeh vody v biosfére.

V hydrologickom cykle sú všetky časti hydrosféry vzájomne prepojené. Ročne sa na ňom podieľa viac ako 500 tisíc km3 vody. Hnacou silou tohto procesu je slnečná energia. Molekuly vody pod pôsobením solárna energia ohrievať a stúpať vo forme plynu do atmosféry (denne sa vyparí - 875 km3 sladká voda). Ako stúpajú, postupne ochladzujú, kondenzujú a tvoria oblaky. Po dostatočnom ochladení mraky uvoľňujú vodu vo forme rôznych zrážok, ktoré padajú späť do oceánu. Voda, ktorá spadla na zem, môže nasledovať dve rôzne cesty: buď vsiakne do pôdy (vsakovanie) alebo steká (povrchový odtok). Na povrchu voda prúdi do potokov a riek, ktoré vedú do oceánu alebo iných miest, kde dochádza k vyparovaniu. Voda absorbovaná do pôdy môže byť zadržiavaná v jej horných vrstvách (horizontoch) a vrátená do atmosféry transpiráciou. Takáto voda sa nazýva kapilára. Voda, ktorá je unášaná gravitáciou a presakuje do pórov a prasklín, sa nazýva gravitačná voda. Gravitačná voda presakuje do nepreniknuteľnej vrstvy kameňa alebo hustej hliny a vypĺňa všetky dutiny. Takéto zásoby sa nazývajú podzemné vody a ich horná hranica sa nazýva hladina. podzemná voda. Podzemné horninové vrstvy, ktorými podzemná voda pomaly preteká, sa nazývajú zvodnené vrstvy. Pod vplyvom gravitácie sa podzemná voda pohybuje pozdĺž zvodnenej vrstvy, kým nenájde „cestu von“ (napríklad vytvára prirodzené pramene, ktoré napájajú jazerá, rieky, rybníky, t.j. stanú sa súčasťou povrchová voda). Vodný cyklus teda zahŕňa tri hlavné "slučky": povrchový odtok, odparovanie-transpirácia, podzemná voda. Do kolobehu vody na Zemi sa ročne zapojí viac ako 500 tisíc km3 vody, ktorá zohráva veľkú úlohu pri formovaní prírodných podmienok.

Biologická (biogeochemická) cirkulácia

(malý obeh látok v biosfére)

Hnacou silou biologického cyklu látok je činnosť živých organizmov. Je súčasťou väčšieho a prebieha v rámci biosféry na úrovni ekosystému. Malý kolobeh spočíva v tom, že živiny, voda a uhlík sa hromadia v hmote rastlín (autotrofy), vynakladajú sa na stavbu tiel a životných procesov, tak rastlín, ako aj iných organizmov (spravidla živočíchov – heterotrofov), ktoré tieto rastliny požierajú. Produkty rozkladu organickej hmoty sa pôsobením deštruktorov a mikroorganizmov (baktérie, huby, červy) opäť rozkladajú na minerálne zložky. Tieto anorganické látky môžu byť znovu použité na syntézu organických látok pomocou autotrofov.

V biogeochemických cykloch sa rozlišuje rezervný fond (látky, ktoré nie sú spojené so živými organizmami) a výmenný fond (látky, ktoré sú spojené priamou výmenou medzi organizmami a ich bezprostredným prostredím).

V závislosti od umiestnenia rezervného fondu sa biogeochemické cykly delia na dva typy:

gyres typ plynu s rezervným fondom látok v atmosfére a hydrosfére (cykly uhlíka, kyslíka, dusíka).

Cykly sedimentárneho typu s rezervným fondom v zemskej kôre (obehy fosforu, vápnika, železa atď.).

Dokonalejšie sú cykly plynového typu s veľkým výmenným fondom. A okrem toho sú schopné rýchlej samoregulácie. Cykly sedimentárneho typu sú menej dokonalé, sú inertnejšie, keďže prevažná časť hmoty je obsiahnutá v rezervnom fonde zemskej kôry vo forme neprístupnej pre živé organizmy. Takéto cykly sú ľahko narušené rôznymi druhmi vplyvov a časť vymieňaného materiálu opúšťa cyklus. Opätovne sa môže vrátiť do obehu iba v dôsledku geologických procesov alebo ťažbou živou hmotou.

Intenzitu biologického cyklu určuje teplota okolia a množstvo vody. Biologický cyklus napríklad prebieha intenzívnejšie vo vlhku tropické pralesy než v tundre.

Cykly hlavných biogénnych látok a prvkov

Uhlíkový cyklus

Všetok život na Zemi je založený na uhlíku. Každá molekula živého organizmu je postavená na uhlíkovej kostre. Atómy uhlíka neustále migrujú z jednej časti biosféry do druhej (obr. 3. 3.).

Ryža. 3. 3. Uhlíkový cyklus.

Hlavné zásoby uhlíka na Zemi sú vo forme oxidu uhličitého (CO2) obsiahnutého v atmosfére a rozpusteného v oceánoch. Rastliny počas fotosyntézy absorbujú molekuly oxidu uhličitého. Výsledkom je, že atóm uhlíka sa premieňa na rôzne organické zlúčeniny a je tak zahrnutý do štruktúry rastlín. Nasleduje niekoľko možností:

zvyšky uhlíka v rastlinách ® molekuly rastlín požierajú rozkladači (organizmy, ktoré sa živia odumretou organickou hmotou a zároveň ju rozkladajú na jednoduché anorganické zlúčeniny) ® uhlík sa vracia do atmosféry ako CO2;

· rastliny požierajú bylinožravce ® uhlík sa vracia do atmosféry pri dýchaní živočíchov a pri ich rozklade po smrti; alebo bylinožravce zožerú mäsožravce a potom sa uhlík opäť vráti do atmosféry rovnakým spôsobom;

· po smrti sa rastliny menia na fosílne palivá (napríklad na uhlie) ® uhlík sa vracia do atmosféry po použití paliva, sopečných erupciách a iných geotermálnych procesoch.

V prípade rozpustenia počiatočnej molekuly CO2 v morská voda možných je aj niekoľko možností: oxid uhličitý sa môže jednoducho vrátiť do atmosféry (tento typ vzájomnej výmeny plynov medzi oceánmi a atmosférou prebieha neustále); uhlík sa môže dostať do tkanív morských rastlín alebo živočíchov, potom sa bude postupne hromadiť vo forme sedimentov na dne oceánov a nakoniec sa zmení na vápenec alebo opäť prejde zo sedimentov do morskej vody.

Cyklus CO2 je približne 300 rokov.

Zásah človeka do kolobehu uhlíka (spaľovanie uhlia, ropy, plynu, odvlhčovanie) vedie k zvýšeniu obsahu CO2 v atmosfére a rozvoju skleníkový efekt. V súčasnosti sa štúdium uhlíkového cyklu stalo dôležitou úlohou pre vedcov, ktorí sa zaoberajú štúdiom atmosféry.

Kyslíkový cyklus

Kyslík je najbežnejším prvkom na Zemi (morská voda obsahuje 85,82 % kyslíka, atmosférický vzduch 23,15 %, v zemskej kôre 47,2 %). Kyslíkové zlúčeniny sú nevyhnutné pre udržanie života (hrajú dôležitú úlohu v metabolických procesoch a dýchaní, sú súčasťou bielkovín, tukov, sacharidov, z ktorých sa organizmy „stavajú“). Hlavná omša je tam kyslík viazaný stav(množstvo molekulárneho kyslíka v atmosfére je len 0,01 %. všeobecný obsah kyslík v zemskej kôre).

Keďže kyslík sa nachádza v mnohých chemické zlúčeniny, jeho obeh v biosfére je veľmi zložitý a vyskytuje sa najmä medzi atmosférou a živými organizmami. Koncentrácia kyslíka v atmosfére sa udržiava fotosyntézou, v dôsledku ktorej zelené rastliny vplyvom slnečného žiarenia premieňajú oxid uhličitý a vodu na sacharidy a kyslík. Väčšinu kyslíka produkujú suchozemské rastliny - takmer ¾, zvyšok - fotosyntetické organizmy oceánov. Výkonným zdrojom kyslíka je fotochemický rozklad vodnej pary vo vyšších vrstvách atmosféry pod vplyvom ultrafialové lúče slnko. Okrem toho kyslík tvorí najdôležitejší cyklus, pretože je súčasťou vody. Z ozónu sa vplyvom ultrafialového žiarenia tvorí malé množstvo kyslíka.

Rýchlosť cyklu kyslíka je asi 2 000 rokov.

Odlesňovanie, erózia pôdy, rôzne banské diela na povrchu znižujú celkovú hmotnosť fotosyntézy a znižujú kolobeh kyslíka na veľkých plochách. Okrem toho sa 25 % kyslíka vytvoreného v dôsledku asimilácie ročne spotrebuje na priemyselné a domáce potreby.

cyklus dusíka

Biogeochemický cyklus dusíka, podobne ako predchádzajúce cykly, pokrýva všetky oblasti biosféry (obr. 3.4).

Ryža. 3. 4. Cyklus dusíka.

Dusík je zahrnutý v zemská atmosféra neviazané vo forme dvojatómové molekuly(približne 78 % z celkového objemu atmosféry tvorí dusík). Okrem toho sa dusík nachádza v rastlinách a živočíchoch vo forme bielkovín. Rastliny syntetizujú proteíny absorbovaním dusičnanov z pôdy. Dusičnany sa tam tvoria z atmosférického dusíka a amónnych zlúčenín prítomných v pôde. Proces premeny atmosférického dusíka na formu využiteľnú rastlinami a živočíchmi sa nazýva fixácia dusíka. Pri hnilobe organických látok sa značná časť v nich obsiahnutých dusíkatých látok mení na amoniak, ktorý sa vplyvom nitrifikačných baktérií žijúcich v pôde následne oxiduje na amoniak. kyselina dusičná. Táto kyselina, ktorá reaguje s uhličitanmi v pôde (napríklad uhličitan vápenatý CaCO3), vytvára dusičnany. Časť dusíka sa pri rozpade vždy uvoľní vo voľnej forme do atmosféry. Okrem toho sa voľný dusík uvoľňuje pri spaľovaní organických látok, pri spaľovaní palivového dreva, čierne uhlie, rašelina. Okrem toho existujú baktérie, ktoré pri nedostatočnom prístupe vzduchu môžu odoberať kyslík z dusičnanov, pričom ich ničí uvoľňovaním voľného dusíka. Činnosť denitrifikačných baktérií vedie k tomu, že časť dusíka z formy dostupnej pre zelené rastliny (dusičnany) sa stáva nedostupnou (voľný dusík). Zďaleka nie všetok dusík, ktorý bol súčasťou odumretých rastlín, sa teda vracia späť do pôdy (časť sa postupne uvoľňuje vo voľnej forme).

Medzi procesy, ktoré kompenzujú stratu dusíka, patria predovšetkým procesy prebiehajúce v atmosfére elektrické výboje, pri ktorej vždy vzniká určité množstvo oxidov dusíka (tieto s vodou dávajú kyselinu dusičnú, ktorá sa v pôde mení na dusičnany). Ďalším zdrojom doplňovania zlúčenín dusíka v pôde je životne dôležitá aktivita takzvaných azotobaktérií, ktoré sú schopné asimilovať vzdušný dusík. Niektoré z týchto baktérií sa usadzujú na koreňoch rastlín z čeľade bôbovitých a spôsobujú vznik charakteristických opuchov – uzlín. Nodulové baktérie, ktoré asimilujú atmosférický dusík, ho spracovávajú na zlúčeniny dusíka a rastliny ich zase premieňajú na bielkoviny a iné komplexné látky. V prírode teda prebieha nepretržitý kolobeh dusíka.

Vzhľadom na to, že každý rok pri zbere sa z polí odstraňujú časti rastlín bohaté na bielkoviny (napríklad obilie), pôda „vyžaduje“ aplikáciu hnojív, ktoré kompenzujú jej straty. podstatné prvky výživa rastlín. Hlavnými použitiami sú dusičnan vápenatý (Ca(NO)2), dusičnan amónny (NH4NO3), dusičnan sodný (NANO3) a dusičnan draselný (KNO3). Tiež namiesto chemických hnojív sa používajú samotné rastliny z čeľade bôbovitých. Ak je množstvo umelých dusíkatých hnojív aplikovaných do pôdy nadmerne veľké, potom sa dusičnany dostávajú aj do ľudského tela, kde sa môžu zmeniť na dusitany, ktoré sú vysoko toxické a môžu spôsobiť rakovinu.

Cyklus fosforu

Väčšina fosforu je obsiahnutá v horninách vytvorených v minulých geologických epochách. Obsah fosforu v zemskej kôre je od 8 - 10 do 20 % (hmotnostných) a nachádza sa tu vo forme minerálov (fluorapatit, chlorapatit a pod.), ktoré sú súčasťou prírodných fosfátov - apatitov a fosforitov. Fosfor sa môže dostať do biogeochemického cyklu v dôsledku zvetrávania hornín. Eróznymi procesmi sa fosfor dostáva do mora vo forme minerálu apatitu. Pri premene fosforu veľkú rolu hrajú živé organizmy. Organizmy extrahujú fosfor z pôdy a vodných roztokov. Ďalej sa fosfor prenáša cez potravinové reťazce. Smrťou organizmov sa fosfor vracia do pôdy a do morského nánosu a koncentruje sa vo forme morských fosfátových usadenín, čo následne vytvára podmienky pre vznik hornín bohatých na fosfor (obr. 3. 5.). ).

Ryža. 3.5. Kolobeh fosforu v biosfére (podľa P. Duvigno, M. Tang, 1973; so zmenami).

o nesprávne použitie fosforečnanových hnojív sa v dôsledku vodnej a veternej erózie (deštrukcia pôsobením vody alebo vetra) z pôdy odstraňuje veľké množstvo fosforu. Na jednej strane to vedie k nadmernej spotrebe fosforečných hnojív a vyčerpaniu rúd obsahujúcich fosfor.

Na druhej strane zvýšený obsah fosforu v vodné cesty jeho presun spôsobuje rýchly nárast biomasy vodných rastlín, „rozkvitnutie nádrží“ a ich eutrofizáciu (obohatenie o živiny).

Keďže rastliny odnášajú z pôdy značné množstvo fosforu a prirodzené dopĺňanie pôdnych zlúčenín fosforu je mimoriadne zanedbateľné, je aplikácia fosforečných hnojív do pôdy jedným z najdôležitejších opatrení na zvýšenie produktivity. Vo svete sa ročne vyťaží približne 125 miliónov ton. fosfátová ruda. Väčšina z nich sa vynakladá na výrobu fosfátových hnojív.

Cyklus síry

Hlavný rezervný fond síry sa nachádza v sedimentoch, pôde a atmosfére. hlavnú úlohu v zapojení síry do biogeochemického cyklu patrí medzi mikroorganizmy. Niektoré z nich sú redukčné činidlá, iné sú oxidačné činidlá (obr. 3. 6.).

Ryža. 3. 6. Cyklus síry (podľa Yu. Odum, 1975).

V prírode v vo veľkom počte sú známe rôzne sulfidy železa, olova, zinku atď.. Sulfidová síra sa v biosfére oxiduje na síranovú síru. Sírany sú prijímané rastlinami. V živých organizmoch je síra súčasťou aminokyselín a bielkovín a v rastlinách je navyše súčasťou éterických olejov atď. Procesy ničenia zvyškov organizmov v pôdach a v morských náplavoch sú sprevádzané zložitými premenami síry (mikroorganizmy vytvárajú početné medziprodukty zlúčenín síry). Po smrti živých organizmov sa časť síry redukuje v pôde mikroorganizmami na H2S, druhá časť sa oxiduje na sírany a opäť sa zaraďuje do kolobehu. Sírovodík vznikajúci v atmosfére sa oxiduje a so zrážkami sa vracia do pôdy. Okrem toho sírovodík môže znovu vytvárať "sekundárne" sulfidy a síranová síra vytvára sadru. Na druhej strane sú sulfidy a sadra opäť zničené a síra obnovuje svoju migráciu.

Okrem toho síra vo forme SO2, SO3, H2S a elementárna síra je emitovaná sopkami do atmosféry.

Cyklus síry môže byť narušený ľudským zásahom. Dôvodom je spaľovanie uhlia a emisie z chemického priemyslu, pri ktorých vzniká oxid siričitý, ktorý narúša procesy fotosyntézy a vedie k odumieraniu vegetácie.

Biogeochemické cykly teda poskytujú homeostázu biosféry. Vo veľkej miere však podliehajú ľudskému vplyvu. A jedna z najsilnejších anti-environmentálnych akcií človeka je spojená s porušovaním a dokonca ničením prírodných cyklov (stávajú sa acyklickými).

Antropogénny cyklus

Hnacou silou antropogénneho cyklu je ľudská činnosť. Tento cyklus zahŕňa dve zložky: biologickú, spojenú s fungovaním človeka ako živého organizmu, a technickú, spojenú s ekonomická aktivita z ľudí. Antropogénny cyklus na rozdiel od geologického a biologického cyklu nie je uzavretý. Táto otvorenosť spôsobuje vyčerpávanie prírodných zdrojov a znečisťovanie prírodného prostredia.

Veľký geologický cyklus minerálnych látok a vody prebieha pod vplyvom obrovského množstva abiotických faktorov.

4.3.1. Cirkulácia látok vo veľkom geologickom cykle.

Podľa teórie litosférických dosiek sa vonkajší obal Zeme skladá z niekoľkých veľmi veľkých blokov (dosiek). Táto teória predpokladá existenciu horizontálnych pohybov mocných litosférických dosiek s hrúbkou 100-150 km.

Zároveň v rámci stredooceánskych chrbtov, takzvanej riftovej zóny. Dochádza k prasknutiu a oddeľovaniu litosférických dosiek s tvorbou mladej oceánskej kôry

Tento jav sa nazýva šírenie dna oceánov. Z hĺbky plášťa tak stúpa prúd minerálnych látok, ktoré vytvárajú mladé kryštalické horniny.

Na rozdiel od tohto procesu, v zóne hlbokých oceánskych priekop, jedna časť kontinentálnej kôry k inému, čo je sprevádzané ponorením obvodovej časti platne do plášťa, t.j. pevná hmota zemská kôra sa stáva súčasťou zemského plášťa. Proces, ktorý sa vyskytuje v oceánskych hlbokomorských priekopách, sa nazýva subdukcia oceánskej kôry.

Kolobeh vody na planéte funguje nepretržite a všade. Hnacie sily vodného cyklu termálna energia a gravitácie. Vplyvom tepla dochádza k vyparovaniu, kondenzácii vodných pár a ďalším procesom, pri ktorých sa spotrebuje asi 50 % energie pochádzajúcej zo slnka. Vplyvom gravitácie - pád dažďových kvapiek, prúdenie riek, pohyb pôdy a podzemných vôd. Často tieto príčiny pôsobia spoločne, napríklad tepelné procesy aj gravitácia pôsobia na atmosférickú cirkuláciu vody.

4.3.2. Kolobeh prvkov v neživej prírode

Vykonáva sa dvoma spôsobmi: migráciou vodou a vzduchom. Medzi vzdušných migrantov patria: kyslík, vodík, dusík, jód.

Medzi vodných migrantov patria tie látky, ktoré migrujú najmä v pôdach, povrchových a podzemných vodách najmä vo forme molekúl a iónov: sodík, horčík, hliník, kremík, fosfor, síra, chlór, draslík, mangán, železo, kobalt, nikel, stroncium, olovo atď. Vzdušní migranti sú tiež súčasťou solí, ktoré migrujú vo vode. Typická je však pre nich vzdušná migrácia.

4.4 Malý (biologický) obeh

Množstvo živej hmoty v biosfére je relatívne malé. Ak sa rozloží po zemskom povrchu, tak sa získa vrstva len 1,5 cm Tabuľka 4.1 porovnáva niektoré kvantitatívne charakteristiky biosféry a iných geosfér Zeme. Biosféra, ktorá tvorí menej ako 10-6 hmotností iných schránok planéty, má neporovnateľne väčšiu diverzitu a svoje zloženie obnovuje miliónkrát rýchlejšie.

Tabuľka 4.1

Porovnanie biosféry s inými geosférami Zeme

*Živá látka na základe živej hmotnosti

4.4.1. Funkcie biosféry

Vďaka biote biosféry sa uskutočňuje prevažná časť chemických premien na planéte. Preto rozsudok V.I. Vernadského o obrovskej transformačnej geologickej úlohe živej hmoty. Pre organická evolúciaživé organizmy tisíckrát (v rôznych cykloch od 103 do 105 krát) prešli cez seba, cez svoje orgány, tkanivá, bunky, krv, celú atmosféru, celý objem Svetového oceánu, najviac masy pôd, obrovská masa minerálnych látok. A to im nielen chýbalo, ale aj upravovali pozemské prostredie v súlade so svojimi potrebami.

Vďaka schopnosti transformovať slnečnú energiu na energiu chemických väzieb vykonávajú rastliny a iné organizmy množstvo základných biogeochemických funkcií v planetárnom meradle.

plynová funkcia. Živé bytosti neustále vymieňajú kyslík a oxid uhličitý s prostredím v procesoch fotosyntézy a dýchania. Rastliny zohrali rozhodujúcu úlohu pri zmene z redukčného prostredia na oxidačné v geochemickom vývoji planéty a pri tvorbe plynového zloženia modernej atmosféry. Rastliny prísne kontrolujú koncentrácie O2 a CO2, ktoré sú optimálne pre súhrn všetkých moderných živých organizmov.

koncentračná funkcia. Prechádza cez vaše telo veľké objemy vzduch a prírodné roztoky, živé organizmy vykonávajú biogénnu migráciu (pohyb chemických látok) a koncentrácia chemických prvkov a ich zlúčenín. Týka sa to biosyntézy organickej hmoty, tvorby koralových ostrovov, stavby schránok a kostier, objavenia sa sedimentárnych vápencových vrstiev, ložísk určitých kovových rúd, hromadenia železno-mangánových uzlín, na dne oceánov atď. Počiatočné štádiá biologickej evolúcie prebiehali vo vodnom prostredí. Organizmy sa naučili extrahovať potrebné látky zo zriedeného vodného roztoku, čím sa ich koncentrácia v tele mnohonásobne znásobila.

Redoxná funkcia živej hmoty úzko súvisí s biogénnou migráciou prvkov a koncentráciou látok. Mnohé látky v prírode sú stabilné a za normálnych podmienok nepodliehajú oxidácii, napríklad molekulárny dusík je jedným z najdôležitejších biogénnych prvkov. Živé bunky však majú také silné katalyzátory – enzýmy, že sú schopné uskutočniť mnoho redoxných reakcií miliónkrát rýchlejšie, než aké môžu prebiehať v abiotickom prostredí.

Informačná funkcia živej hmoty biosféry. S príchodom prvých primitívnych živých bytostí sa na planéte objavili aktívne („živé“) informácie, ktoré sa líšia od „mŕtvych“ informácií, ktoré sú jednoduchým odrazom štruktúry. Ukázalo sa, že organizmy sú schopné prijímať informácie spojením toku energie s aktívnou molekulárnou štruktúrou, ktorá hrá úlohu programu. Schopnosť vnímať, uchovávať a spracovávať molekulárne informácie prešla v prírode pokročilým vývojom a stala sa najdôležitejším ekologickým systémotvorným faktorom. Celkové zásoby genetická informácia biota sa odhaduje na 1015 bitov. Celková sila toku molekulárnych informácií spojených s metabolizmom a energiou vo všetkých bunkách globálnej bioty dosahuje 1036 bit/s (Gorshkov et al., 1996).

4.4.2. Zložky biologického cyklu.

Biologický cyklus prebieha medzi všetkými zložkami biosféry (tj medzi pôdou, vzduchom, vodou, živočíchmi, mikroorganizmami atď.). Vyskytuje sa s povinnou účasťou živých organizmov.

Slnečné žiarenie dosahujúce biosféru nesie energiu asi 2,5 x 1024 J za rok. Len 0,3 % z neho sa priamo premieňa na energiu počas fotosyntézy. chemické väzby organická hmota, t.j. zapojené do biologického cyklu. A ukáže sa, že 0,1 – 0,2 % slnečnej energie dopadajúcej na Zem je uzavretých v čistom prvovýroba. Ďalší osud tejto energie je spojený s prenosom organickej hmoty potravy po kaskádach trofických reťazcov.

Biologický cyklus možno podmienečne rozdeliť na vzájomne súvisiace zložky: cyklus látok a energetický cyklus.

4.4.3. Energetický cyklus. Transformácia energie v biosfére

Ekosystém možno opísať ako súbor živých organizmov, ktoré si neustále vymieňajú energiu, hmotu a informácie. Energiu možno definovať ako schopnosť vykonávať prácu. Vlastnosti energie, vrátane pohybu energie v ekosystémoch, sú opísané zákonmi termodynamiky.

Prvý termodynamický zákon alebo zákon zachovania energie hovorí, že energia nezaniká a nevzniká nanovo, iba prechádza z jednej formy do druhej.

Druhý termodynamický zákon hovorí, že v uzavretý systém entropia sa môže len zvyšovať. Pokiaľ ide o energiu v ekosystémoch, je vhodná nasledujúca formulácia: procesy spojené s transformáciou energie môžu nastať spontánne iba vtedy, ak energia prechádza z koncentrovanej formy do difúznej, to znamená, že degraduje. Meradlom množstva energie, ktoré sa stáva nedostupným na použitie, alebo inak mierou zmeny v poradí, ku ktorej dochádza pri degradácii energie, je entropia. Čím vyšší je poriadok systému, tým nižšia je jeho entropia.

Inými slovami, živá hmota prijíma a premieňa energiu kozmu, slnka na energiu pozemských procesov (chemických, mechanických, tepelných, elektrických). Zapája túto energiu a anorganickú hmotu do nepretržitého obehu látok v biosfére. Tok energie v biosfére má jeden smer – od Slnka cez rastliny (autotrofy) k živočíchom (heterotrofy). Prírodné nedotknuté ekosystémy v stabilnom stave s konštantnými dôležitými environmentálnymi ukazovateľmi (homeostáza) sú najviac usporiadanými systémami a vyznačujú sa najnižšou entropiou.

4.4.4. Kolobeh látok v prírode

Vznik živej hmoty a jej rozklad sú dve strany jedného procesu, ktorý sa nazýva biologický cyklus chemických prvkov. Život je cirkulácia chemických prvkov medzi organizmami a prostredím.

Dôvodom kolobehu je obmedzenosť prvkov, z ktorých sa stavajú telá organizmov. Každý organizmus získava z prostredia látky potrebné pre život a vracia sa nevyužité. kde:

niektoré organizmy konzumujú minerály priamo z prostredia;

iní používajú produkty spracované a izolované ako prvé;

tretí - druhý atď., kým sa látky nevrátia do prostredia v pôvodnom stave.

V biosfére je zrejmá potreba koexistencie rôznych organizmov, ktoré dokážu navzájom využívať odpadové produkty. Vidíme prakticky bezodpadovú biologickú produkciu.

Cyklus látok v živých organizmoch možno podmienečne zredukovať na štyri procesy:

1. Fotosyntéza. Rastliny v dôsledku fotosyntézy absorbujú a akumulujú slnečnú energiu a syntetizujú organické látky – primárne biologické produkty – a kyslík z anorganických látok. Primárne biologické produkty sú veľmi rôznorodé – obsahujú sacharidy (glukózu), škrob, vlákninu, bielkoviny, tuky.

Schéma fotosyntézy najjednoduchšieho uhľohydrátu (glukózy) má nasledujúcu schému:

Tento proces prebieha iba počas dňa a je sprevádzaný nárastom hmotnosti rastlín.

V dôsledku fotosyntézy sa na Zemi ročne vyprodukuje asi 100 miliárd ton organickej hmoty, asimiluje sa asi 200 miliárd ton oxidu uhličitého a uvoľní sa približne 145 miliárd ton kyslíka.

Fotosyntéza zohráva rozhodujúcu úlohu pri zabezpečovaní existencie života na Zemi. Jeho globálny význam sa vysvetľuje tým, že fotosyntéza je jediný proces, počas ktorého sa energia v termodynamickom procese podľa minimalistického princípu nerozptyľuje, ale skôr hromadí.

Syntézou aminokyselín potrebných na stavbu bielkovín môžu rastliny existovať relatívne nezávisle od iných živých organizmov. Prejavuje sa tým autotrofia rastlín (sebestačnosť vo výžive). Zelená hmota rastlín a kyslík vznikajúci v procese fotosyntézy sú zároveň základom pre udržanie života ďalšej skupiny živých organizmov - živočíchov, mikroorganizmov. To ukazuje heterotrofiu tejto skupiny organizmov.

2. Dýchanie. Tento proces je opačný ako pri fotosyntéze. Vyskytuje sa vo všetkých živých bunkách. Pri dýchaní organickej hmoty oxiduje kyslíkom, v dôsledku čoho sa uvoľňuje oxid uhličitý, voda a energia.

3. Výživové (trofické) vzťahy medzi autotrofnými a heterotrofnými organizmami. AT tento prípad dochádza k prenosu energie a hmoty pozdĺž článkov potravinového reťazca, o ktorom sme podrobnejšie hovorili skôr.

4. Proces transpirácie. Jeden z najdôležitejších procesov v biologickom cykle.

Schematicky to možno opísať nasledovne. Rastliny absorbujú pôdnu vlhkosť koreňmi. Zároveň sa do nich dostávajú minerálne látky rozpustené vo vode, ktoré sa absorbujú a vlhkosť sa v závislosti od podmienok prostredia viac či menej intenzívne odparuje.

4.4.5. Biogeochemické cykly

Geologické a biologické cykly sú prepojené - existujú ako jeden proces, ktorý spôsobuje obeh látok, takzvané biogeochemické cykly (BGCC). Táto cirkulácia prvkov je spôsobená syntézou a rozpadom organických látok v ekosystéme (obr. 4.1) Na BHCC sa nezúčastňujú všetky prvky biosféry, ale iba biogénne. Živé organizmy sa skladajú z nich, tieto prvky vstupujú do mnohých reakcií a zúčastňujú sa procesov prebiehajúcich v živých organizmoch. V percentuálnom vyjadrení celkovú hmotnosť živej hmoty biosféry tvoria tieto hlavné biogénne prvky: kyslík - 70%, uhlík - 18%, vodík - 10,5%, vápnik - 0,5%, draslík - 0,3%, dusík - 0 , 3%, (kyslík, vodík, dusík, uhlík sú prítomné vo všetkých krajinách a sú základom živých organizmov - 98%).

Podstata biogénnej migrácie chemických prvkov.

V biosfére teda prebieha biogénny kolobeh látok (t. j. kolobeh spôsobený životnou činnosťou organizmov) a jednosmerný tok energie. Biogénna migrácia chemických prvkov je určená najmä dvoma opačnými procesmi:

1. Vznik živej hmoty z prvkov prostredia vplyvom slnečnej energie.

2. Zničenie organických látok sprevádzané uvoľňovaním energie. Zároveň prvky minerálnych látok opakovane vstupujú do živých organizmov, čím vstupujú do zloženia zložitých organických zlúčenín, foriem a potom, keď sú zničené, opäť získavajú minerálnu formu.

Existujú prvky, ktoré sú súčasťou živých organizmov, ale nesúvisia s biogénnymi. Takéto prvky sú klasifikované podľa ich hmotnostného podielu v organizmoch:

Makronutrienty - zložky najmenej 10-2% hmotnosti;

Stopové prvky - zložky od 9 * 10-3 do 1 * 10-3% hmotnosti;

Ultramikroelementy - menej ako 9 * 10-6% hmoty;

Aby sme určili miesto biogénnych prvkov medzi ostatnými chemickými prvkami biosféry, zvážme klasifikáciu prijatú v ekológii. Podľa aktivity znázornenej v procesoch vyskytujúcich sa v biosfére sú všetky chemické prvky rozdelené do 6 skupín:

Vzácne plyny sú hélium, neón, argón, kryptón, xenón. Inertné plyny nie sú súčasťou živých organizmov.

Ušľachtilé kovy - ruténium, rádium, paládium, osmium, irídium, platina, zlato. Tieto kovy takmer nevytvárajú zlúčeniny v zemskej kôre.

Cyklické alebo biogénne prvky (nazývajú sa aj migračné). Táto skupina biogénnych prvkov v zemskej kôre predstavuje 99,7% celkovej hmoty a zvyšných 5 skupín - 0,3%. Prevažnú časť prvkov teda tvoria migranti, ktorí vykonávajú cirkuláciu v geografickom obale, a časť inertných prvkov je veľmi malá.

Rozptýlené prvky, vyznačujúce sa prevahou voľných atómov. Vstupujú do chemických reakcií, ale ich zlúčeniny sa v zemskej kôre nachádzajú len zriedka. Delia sa na dve podskupiny. Prvé - rubídium, cézium, niób, tantal - vytvárajú zlúčeniny v hlbinách zemskej kôry a na povrchu sa ich minerály ničia. Druhý - jód, bróm - reagujú iba na povrchu.

Rádioaktívne prvky - polónium, radón, rádium, urán, neptúnium, plutónium.

Prvky vzácnych zemín - ytrium, samárium, európium, thulium atď.

Celoročné biochemické cykly uviedli do pohybu približne 480 miliárd ton hmoty.

IN AND. Vernadsky sformuloval tri biogeochemické princípy, ktoré vysvetľujú podstatu biogénnej migrácie chemických prvkov:

Biogénna migrácia chemických prvkov v biosfére smeruje vždy k svojmu maximálnemu prejavu.

Evolúcia druhov v priebehu geologického času, ktorá vedie k vytvoreniu trvalo udržateľných foriem života, postupuje smerom, ktorý zvyšuje biogénnu migráciu atómov.

Živá hmota je v nepretržitej chemickej výmene so svojím prostredím, čo je faktor, ktorý obnovuje a udržiava biosféru.

Uvažujme, ako sa niektoré z týchto prvkov pohybujú v biosfére.

Uhlíkový cyklus. Hlavným účastníkom biotického cyklu je uhlík ako základ organických látok. Cyklus uhlíka prebieha väčšinou medzi živou hmotou a oxidom uhličitým v atmosfére v procese fotosyntézy. Bylinožravce ho získavajú potravou, predátori ho získavajú od bylinožravcov. Pri dýchaní, hnilobe sa oxid uhličitý čiastočne vracia do atmosféry, návrat nastáva pri spaľovaní organických minerálov.

Pri absencii návratu uhlíka do atmosféry by ho zelené rastliny spotrebovali za 7-8 rokov. Rýchlosť biologického obratu uhlíka prostredníctvom fotosyntézy je 300 rokov. Oceány zohrávajú dôležitú úlohu pri regulácii obsahu CO2 v atmosfére. Ak obsah CO2 v atmosfére stúpne, časť z neho sa rozpustí vo vode a reaguje s uhličitanom vápenatým.

Cyklus kyslíka.

Kyslík má vysokú chemickú aktivitu, vstupuje do zlúčenín s takmer všetkými prvkami zemskej kôry. Vyskytuje sa hlavne vo forme zlúčenín. Každý štvrtý atóm živej hmoty je atóm kyslíka. Takmer všetok molekulárny kyslík v atmosfére vznikol a udržiava sa na konštantnej úrovni vďaka aktivite zelených rastlín. Atmosférický kyslík, viazaný pri dýchaní a uvoľňovaný pri fotosyntéze, prejde za 200 rokov všetkými živými organizmami.

Cyklus dusíka. Dusík je neoddeliteľnou súčasťou všetkých bielkovín. Celkový pomer viazaného dusíka, ako prvku tvoriaceho organickú hmotu, k dusíku v prírode je 1:100 000. Energia chemickej väzby v molekule dusíka je veľmi vysoká. Preto kombinácia dusíka s inými prvkami – kyslíkom, vodíkom (proces fixácie dusíka) – vyžaduje veľa energie. Priemyselná fixácia dusíka prebieha za prítomnosti katalyzátorov pri teplote -500°C a tlaku -300 atm.

Ako viete, atmosféra obsahuje viac ako 78% molekulárneho dusíka, ale v tomto stave nie je dostupný pre zelené rastliny. Rastliny môžu na výživu používať iba dusíkaté soli. kyselina dusitá. Aké sú spôsoby tvorby týchto solí? Tu sú niektoré z nich:

V biosfére je fixácia dusíka realizovaná niekoľkými skupinami anaeróbnych baktérií a siníc pri normálnej teplote a tlaku vďaka vysokej účinnosti biokatalýzy. Predpokladá sa, že baktérie sa premieňajú na viazaná forma približne 1 miliarda ton dusíka ročne (svetový objem priemyselnej fixácie je asi 90 miliónov ton).

Pôdne baktérie viažuce dusík sú schopné asimilovať molekulárny dusík zo vzduchu. Obohacujú pôdu o dusíkaté zlúčeniny, preto je ich hodnota mimoriadne vysoká.

V dôsledku rozkladu zlúčenín obsahujúcich dusík organických látok rastlinného a živočíšneho pôvodu.

Pod pôsobením baktérií sa dusík premieňa na dusičnany, dusitany, amónne zlúčeniny. V rastlinách sa zlúčeniny dusíka podieľajú na syntéze bielkovinových zlúčenín, ktoré sa prenášajú z organizmu do organizmu v potravinových reťazcoch.

Cyklus fosforu. Ďalším dôležitým prvkom, bez ktorého je syntéza bielkovín nemožná, je fosfor. Hlavným zdrojom sú vyvreté horniny (apatity) a sedimentárne horniny (fosfority).

Anorganický fosfor sa podieľa na kolobehu v dôsledku prirodzených procesov vylúhovania. Fosfor je asimilovaný živými organizmami, ktoré s jeho účasťou syntetizujú množstvo organických zlúčenín a prenášajú ich na rôzne trofické úrovne.

Po dokončení svojej cesty trofickými reťazcami sa organické fosfáty mikróbmi rozložia a premenia sa na minerálne fosfáty dostupné pre zelené rastliny.

V procese biologickej cirkulácie, ktorá zabezpečuje pohyb hmoty a energie, nie je miesto pre hromadenie odpadu. Odpadové produkty (t. j. odpadové produkty) každej formy života sú živnou pôdou pre iné organizmy.

Teoreticky by biosféra mala vždy udržiavať rovnováhu medzi produkciou biomasy a jej rozkladom. V určitých geologických obdobiach však bola narušená rovnováha biologického cyklu, keď v dôsledku určitých prírodných podmienok, katakliziem, neboli všetky biologické produkty asimilované a transformované. V týchto prípadoch sa tvorili prebytky biologických produktov, ktoré sa konzervovali a ukladali v zemskej kôre, pod vodný stĺpec, sedimenty a končili v zóne permafrostu. Vznikli tak ložiská uhlia, ropy, plynu, vápenca. Treba poznamenať, že nezanášajú biosféru. Energia Slnka, nahromadená v procese fotosyntézy, sa koncentruje v organických mineráloch. Teraz, spaľovaním organických fosílnych palív, človek uvoľňuje túto energiu.