Grande ciclo geologico delle sostanze. Piccola circolazione biologica (geografica) di sostanze. Grande ciclo geologico e piccolo ciclo biologico delle sostanze in natura. Accumulo di nutrienti nel suolo

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Il ciclo geologico (grande ciclo di sostanze in natura) è un ciclo di sostanze, la cui forza trainante sono i processi geologici esogeni ed endogeni.

Il ciclo geologico è la circolazione di sostanze, la cui forza trainante sono i processi geologici esogeni ed endogeni.

I confini del ciclo geologico sono molto più ampi dei confini della biosfera; la sua ampiezza copre strati della crosta terrestre ben oltre la biosfera. E, soprattutto, gli organismi viventi svolgono un ruolo secondario nei processi di questo ciclo.

Pertanto, il ciclo geologico delle sostanze avviene senza la partecipazione di organismi viventi e ridistribuisce le sostanze tra la biosfera e gli strati più profondi della Terra.

Il ruolo più importante nel grande ciclo del ciclo geologico è giocato dai piccoli cicli della materia, sia della biosfera che della tecnosfera, una volta in cui la materia viene staccata per lungo tempo dal grande flusso geochimico, trasformandosi in infiniti cicli di sintesi e decomposizione.

Il ruolo più importante nel grande ciclo del ciclo geologico è giocato dai piccoli cicli della materia, sia della biosfera che della tecnosfera, una volta in cui la materia viene staccata per lungo tempo dal grande flusso geochimico, trasformandosi in infiniti cicli di sintesi e decomposizione.

Questo carbonio prende parte al lento ciclo geologico.

È questo carbonio che prende parte al lento ciclo geologico. La vita sulla Terra e il bilancio gassoso dell'atmosfera sono sostenuti da quantità relativamente piccole di carbonio contenuto nei tessuti vegetali (5 10 t) e animali (5 109 t) che partecipano al piccolo ciclo (biogenico). Tuttavia, al momento, gli esseri umani stanno chiudendo intensamente il ciclo delle sostanze, compreso il carbonio. Ad esempio, si stima che la biomassa totale di tutti gli animali domestici superi già la biomassa di tutti gli animali selvatici terrestri. Le aree delle piante coltivate si stanno avvicinando alle aree delle biogeocenosi naturali e molti ecosistemi culturali sono significativamente superiori a quelli naturali nella loro produttività, continuamente aumentata dall'uomo.

Il più esteso nel tempo e nello spazio è il cosiddetto ciclo geologico delle sostanze.

Esistono 2 tipi di circolazione delle sostanze in natura: ciclo ampio o geologico delle sostanze tra terra e oceano; piccolo o biologico - tra suolo e piante.

L'acqua estratta dalla pianta dal suolo entra nell'atmosfera allo stato di vapore, quindi, raffreddandosi, si condensa e ritorna nel suolo o nell'oceano sotto forma di precipitazione. Il ciclo geologico dell'acqua prevede la ridistribuzione meccanica, la deposizione, l'accumulo di sedimenti solidi sulla terra e sul fondo dei bacini idrici, nonché nel processo di distruzione meccanica di suoli e rocce. Tuttavia, la funzione chimica dell'acqua viene svolta con la partecipazione di organismi viventi o dei loro prodotti metabolici. Le acque naturali, come i terreni, sono sostanze bioinerti complesse.

L’attività geochimica umana sta diventando paragonabile in scala ai processi biologici e geologici. Nel ciclo geologico, il legame di denudazione aumenta notevolmente.

Il fattore che lascia l'impronta principale sul carattere generale e biologico. Allo stesso tempo, il ciclo geologico dell’acqua cerca continuamente di lavare tutti questi elementi dagli strati di terreno fatiscente nel bacino oceanico. Pertanto, la conservazione degli elementi vegetali alimentari nel terreno richiede la loro conversione in una forma assolutamente insolubile in acqua. Questo requisito è soddisfatto dalla materia organica vivente.

Grande ciclo geologico delle sostanze. Piccolo ciclo biologico (geografico) delle sostanze

Il grande ciclo geologico delle sostanze è causato dall'interazione dell'energia solare con le energie profonde della Terra e realizza la ridistribuzione delle sostanze tra la biosfera e gli orizzonti più profondi della Terra. Le rocce sedimentarie sono immerse in una zona di alte temperature e pressioni nelle zone mobili della crosta terrestre. Lì si sciolgono e formano il magma, la fonte di nuove rocce ignee. Dopo che queste rocce salgono sulla superficie terrestre e subiscono processi di erosione, vengono nuovamente trasformate in nuove rocce sedimentarie.

Il Grande Ciclo comprende anche la circolazione dell'acqua tra terra e oceano attraverso l'atmosfera. L'umidità che evapora dalla superficie degli oceani del mondo viene trasferita sulla terra, dove cade sotto forma di precipitazioni, che ritornano nell'oceano sotto forma di deflusso superficiale e sotterraneo. Il ciclo dell'acqua avviene anche secondo uno schema più semplice: evaporazione dell'umidità dalla superficie dell'oceano - condensazione del vapore acqueo - precipitazione sulla superficie dell'oceano. Ogni giorno partecipano al ciclo dell'acqua più di 500mila metri cubi. km. acqua. L'intera riserva d'acqua sulla Terra si interrompe e viene ripristinata in 2 milioni di anni.

Il piccolo ciclo delle sostanze (biogeochimico) avviene solo all'interno della biosfera. La sua essenza risiede nella formazione della materia vivente dai composti inorganici durante il processo di fotosintesi e nella trasformazione della materia organica durante la decomposizione in composti inorganici. Questo ciclo per la vita della biosfera è il principale ed è una continuazione della vita stessa. Cambiando, nascendo e morendo, la materia vivente sostiene la vita sul nostro pianeta, garantendo il ciclo biogeochimico delle sostanze. La principale fonte di energia nel ciclo è la luce solare, che fornisce la fotosintesi.

L'essenza del ciclo biogeochimico è che gli elementi chimici assorbiti da un organismo successivamente lo lasciano e vanno nell'ambiente abiotico, dopo qualche tempo entrano nuovamente nell'organismo vivente. Nei cicli biogeochimici si è soliti distinguere tra fondo di riserva, ovvero sostanze non associate ad organismi; fondo di scambio dovuto allo scambio diretto di nutrienti tra gli organismi e il loro ambiente immediato. Se consideriamo la biosfera nel suo complesso, possiamo distinguere il ciclo delle sostanze gassose con un fondo di riserva nell'atmosfera e nell'idrosfera e il ciclo sedimentario con un fondo di riserva nella crosta terrestre nel ciclo geologico.

Nel complesso, i cicli garantiscono l'adempimento delle seguenti funzioni più importanti della materia vivente nella biosfera:

• o Gas: prodotto della decomposizione della materia organica morta.
• o Concentrazione: gli organismi accumulano molti elementi chimici.
• o Redox: gli organismi che vivono nei corpi idrici regolano il regime acido.
• o Biochimica: riproduzione, crescita e movimento della materia vivente nello spazio
• o Attività umana biogeochimica: il coinvolgimento di sostanze naturali per i bisogni economici e domestici degli esseri umani.

L'unico processo sulla Terra che non consuma, ma accumula energia solare è la creazione di materia organica come risultato della fotosintesi. Il legame e l’immagazzinamento dell’energia solare è la principale funzione planetaria della materia vivente sulla Terra. I nutrienti più importanti sono carbonio, azoto, ossigeno, fosforo e zolfo.

Affinché la biosfera continui ad esistere, affinché il suo movimento (sviluppo) non si fermi, la circolazione di sostanze biologicamente importanti deve avvenire costantemente sulla Terra. Questo passaggio di sostanze biologicamente importanti da un collegamento all'altro può essere effettuato solo con un certo dispendio di energia, la cui fonte è il Sole.

L’energia solare fornisce due cicli di sostanze sulla Terra:

- ciclo geologico (abiotico), o grande;

- ciclo biologico (biotico), o piccolo.

Ciclo geologico più chiaramente manifestato nel ciclo dell’acqua e nella circolazione atmosferica.

La Terra riceve circa 21 10 20 kJ di energia radiante ogni anno dal Sole. Circa la metà viene spesa per l'evaporazione dell'acqua. Questo è ciò che provoca il grande ciclo.

Il ciclo dell'acqua nella biosfera si basa sul fatto che la sua evaporazione totale dalla superficie terrestre è compensata dalle precipitazioni. Allo stesso tempo, dall’oceano evapora più acqua di quella che ritorna con le precipitazioni. Sulla terra, al contrario, cadono più precipitazioni di quanta acqua evapora. Il suo eccesso scorre nei fiumi e nei laghi e da lì di nuovo nell'oceano.

Nel processo del ciclo geologico dell'acqua, i composti minerali vengono trasferiti da un luogo all'altro su scala planetaria e cambia anche lo stato aggregato dell'acqua (liquido, solido - neve, ghiaccio; gassoso - vapore). L'acqua circola più intensamente allo stato di vapore.

Con l'avvento della materia vivente basata sulla circolazione dell'atmosfera, dell'acqua, dei composti minerali in essa disciolti, ad es. sulla base del ciclo abiotico, geologico, si formò un ciclo di materia organica, o di piccole dimensioni, ciclo biologico.

Man mano che la materia vivente si sviluppa, sempre più elementi vengono costantemente estratti dal ciclo geologico ed entrano in un nuovo ciclo biologico.

A differenza del semplice trasferimento e movimento degli elementi minerali nel grande ciclo (geologico), nel piccolo ciclo (biologico) i punti più importanti sono la sintesi e la distruzione dei composti organici. Questi due processi sono in una certa relazione, che è alla base della vita e costituisce una delle sue caratteristiche principali.

A differenza del ciclo geologico, il ciclo biologico ha un’energia inferiore. Come è noto, solo lo 0,1-0,2% dell'energia solare incidente sulla Terra viene spesa per la creazione di materia organica (fino al 50% per il ciclo geologico). Nonostante ciò, l'energia coinvolta nel ciclo biologico viene spesa nell'enorme lavoro di creazione della produzione primaria sulla Terra.

Con la comparsa della materia vivente sulla Terra, gli elementi chimici circolano continuamente nella biosfera, passando dall'ambiente esterno agli organismi e nuovamente nell'ambiente esterno.

Viene chiamata tale circolazione di elementi chimici lungo percorsi più o meno chiusi, che avviene utilizzando l'energia solare attraverso gli organismi viventi ciclo biogeochimico (ciclo).

I principali cicli biogeochimici sono i cicli dell'ossigeno, del carbonio, dell'azoto, del fosforo, dello zolfo, dell'acqua e dei nutrienti.

Ciclo del carbonio.

Sulla terra, il ciclo del carbonio inizia con la fissazione dell'anidride carbonica da parte delle piante durante la fotosintesi. I carboidrati vengono quindi formati da anidride carbonica e acqua e ossigeno. In questo caso, il carbonio viene parzialmente rilasciato durante la respirazione della pianta sotto forma di anidride carbonica. Il carbonio fissato nelle piante viene in una certa misura consumato dagli animali. Anche gli animali rilasciano anidride carbonica quando respirano. Gli animali e le piante morti vengono decomposti dai microrganismi, a seguito dei quali il carbonio della materia organica morta viene ossidato in anidride carbonica e rilasciato nuovamente nell'atmosfera.

Un ciclo simile del carbonio si verifica nell’oceano.

Ciclo dell'azoto.

Il ciclo dell'azoto, come altri cicli biogeochimici, copre tutte le aree della biosfera. Il ciclo dell'azoto è associato alla sua conversione in nitrati dovuta all'attività dei batteri azotofissatori e nitrificanti. I nitrati vengono assorbiti dalle piante dal suolo o dall'acqua. Le piante vengono mangiate dagli animali. Alla fine, i decompositori riconvertono l’azoto in forma gassosa e lo rilasciano nuovamente nell’atmosfera.

Nelle condizioni moderne, gli esseri umani sono intervenuti nel ciclo dell’azoto coltivando legumi che fissano l’azoto in vaste aree e fissando artificialmente l’azoto naturale. Si ritiene che l’agricoltura e l’industria forniscano quasi il 60% in più di azoto fisso rispetto agli ecosistemi terrestri naturali.

Un ciclo simile dell'azoto si osserva nell'ambiente acquatico.

Ciclo del fosforo.

A differenza del carbonio e dell'azoto, i composti del fosforo si trovano nelle rocce che erodono e rilasciano fosfati. La maggior parte di essi finisce nei mari e negli oceani e può essere parzialmente riportato sulla terraferma attraverso la catena alimentare marina che termina con gli uccelli pescivori. Alcuni fosfati penetrano nel terreno e vengono assorbiti dalle radici delle piante. L'assorbimento del fosforo da parte delle piante dipende dall'acidità della soluzione del terreno: all'aumentare dell'acidità, i fosfati praticamente insolubili nell'acqua vengono convertiti in acido fosforico altamente solubile. Le piante vengono poi mangiate dagli animali.

I principali collegamenti nei cicli biogeochimici sono vari organismi, la cui varietà di forme determina l'intensità dei cicli e il coinvolgimento in essi di quasi tutti gli elementi della crosta terrestre.

In generale, ogni ciclo di qualsiasi elemento chimico fa parte del grande ciclo generale delle sostanze sulla Terra, cioè sono strettamente correlati.

Il ciclo delle sostanze in natura è un processo ciclico ripetuto di trasformazione e movimento dei singoli elementi chimici e dei loro composti. Si è verificato nel corso della storia dello sviluppo della Terra e continua ancora oggi. C'è sempre una certa deviazione nella composizione e nella quantità della sostanza circolante, quindi in natura non esiste una ripetizione completa del ciclo. Ciò determina il progressivo sviluppo della Terra come pianeta. La circolazione delle sostanze è particolarmente caratteristica per lo stadio di sviluppo geologico, quando si formarono le formazioni fondamentali. guscio della Terra. In termini di scala della manifestazione, il primo posto è ciclo geologico. Rappresenta il movimento della materia principalmente nei gusci interni: innalzamento a seguito di movimenti tettonici ascendenti e vulcanismo; il suo trasferimento orizzontale nei gusci esterni e l'accumulo; movimenti verso il basso - sepoltura di sedimenti, cedimento a seguito di movimenti tettonici verso il basso. In profondità avviene il metamorfismo, lo scioglimento della materia con formazione di magma e rocce metamorfiche. Il ruolo fondamentale nella creazione dell'involucro geografico è giocato da Il ciclo dell'acqua.

Dalla comparsa della vita sulla Terra, ciclo biologico. Assicura continue trasformazioni, in seguito alle quali le sostanze, dopo essere state utilizzate da alcuni organismi, passano in una forma digeribile per altri organismi. La base energetica è l’energia solare che arriva sulla Terra. Gli organismi vegetali assorbono i minerali, che entrano nel corpo degli animali attraverso la catena alimentare, quindi ritornano nel suolo o nell'atmosfera con l'aiuto di decompositori (batteri, funghi, ecc.). L'intensità di questo ciclo determina il numero e la diversità degli organismi viventi sulla Terra e la quantità di energia che accumulano. biomassa. Massimo. l'intensità del ciclo biologico sulla terraferma si osserva nelle foreste pluviali tropicali, dove difficilmente si accumulano residui vegetali e i minerali rilasciati vengono immediatamente assorbiti dalle piante. L'intensità del ciclo è molto bassa nelle paludi e nella tundra, dove si accumulano resti vegetali che non hanno il tempo di decomporsi. Di particolare importanza sono soprattutto i cicli degli elementi chimici biogenici carbonio. Ogni anno gli organismi vegetali estraggono dall’atmosfera fino a 300 miliardi di tonnellate di anidride carbonica (o 100 miliardi di tonnellate di carbonio). Le piante vengono parzialmente mangiate dagli animali e parzialmente muoiono. Come risultato della respirazione degli organismi, della decomposizione dei loro resti, dei processi di fermentazione e decadimento, la materia organica viene convertita in anidride carbonica o depositata sotto forma di sapropel, humus, torba, da cui derivano carbone, petrolio e gas combustibile vengono successivamente formati. Una parte molto piccola di esso partecipa al ciclo del carbonio attivo; una quantità significativa è conservata sotto forma di calcari fossili combustibili e altre rocce. Di base la massa di azoto è concentrata nell'atmosfera (3,8510N? t); nelle acque dell'Oceano Mondiale contiene 2510 tonnellate di Ni. Nel ciclo dell'azoto, il ruolo principale spetta ai microrganismi: fissatori di azoto, nitrificanti e denitrificanti. Ogni anno a terra, ca. 4510? tonnellate di azoto, in un ambiente acquatico è 4 volte inferiore. I composti contenenti azoto provenienti dai residui morti vengono convertiti dai microrganismi nitrificanti in ossidi di azoto, che vengono successivamente decomposti dai batteri denitrificanti per rilasciare azoto molecolare. I cicli sono anche associati alla materia vivente ossigeno, fosforo, zolfo e molti altri elementi. Le conseguenze dell'influenza umana sul ciclo delle sostanze stanno diventando sempre più significative. Sono diventati paragonabili ai risultati dei processi geologici: nella biosfera compaiono nuove rotte di migrazione delle sostanze, compaiono nuovi composti chimici che prima non esistevano e il ciclo dell'acqua cambia.

Il grande ciclo geologico dei minerali e dell'acqua avviene sotto l'influenza di un numero enorme di fattori abiotici.

4.3.1. La circolazione delle sostanze nel grande ciclo geologico.

Secondo la teoria delle placche litosferiche, il guscio esterno della Terra è costituito da numerosi blocchi (placche) molto grandi. Questa teoria presuppone l'esistenza di movimenti orizzontali di potenti placche litosferiche, spesse 100-150 km.

Inoltre, all'interno delle dorsali oceaniche, si trova la cosiddetta zona di rift. Le placche litosferiche si rompono e si allontanano con la formazione di una giovane crosta oceanica

Questo fenomeno è chiamato espansione del fondale oceanico. Dalle profondità del mantello risale così un flusso di sostanze minerali che formano giovani rocce cristalline.

Contrariamente a questo processo, nella zona delle fosse oceaniche di acque profonde, una parte della crosta continentale viene costantemente spinta sull'altra, il che è accompagnato dall'immersione della parte periferica della placca nel mantello, cioè parte della la materia solida della crosta terrestre passa nella composizione del mantello terrestre. Il processo che avviene nelle fosse oceaniche profonde è chiamato subduzione della crosta oceanica.

Il ciclo dell’acqua sul pianeta opera continuamente e ovunque. Le forze motrici del ciclo dell’acqua sono l’energia termica e la gravità. Sotto l'influenza del calore, si verificano evaporazione, condensazione del vapore acqueo e altri processi, che consumano circa il 50% dell'energia proveniente dal sole. Sotto l'influenza della gravità: la caduta delle gocce di pioggia, il flusso dei fiumi, il movimento del suolo e delle falde acquifere. Spesso questi motivi agiscono insieme, ad esempio sia i processi termici che la gravità influenzano la circolazione atmosferica dell'acqua.

4.3.2. Ciclo degli elementi nella natura inanimata

Viene effettuato in due modi: migrazione dell'acqua e dell'aria. I migranti aerei includono: ossigeno, idrogeno, azoto, iodio.

I migranti dell'acqua comprendono quelle sostanze che migrano principalmente nei suoli, nelle acque superficiali e sotterranee, principalmente sotto forma di molecole e ioni: sodio, magnesio, alluminio, silicio, fosforo, zolfo, cloro, potassio, manganese, ferro, cobalto, nichel, stronzio, piombo, ecc. Anche i migranti aerei fanno parte dei sali che migrano nell'acqua. Tuttavia, la migrazione aerea è più tipica per loro.

4.4 Piccolo ciclo (biologico).

La massa della materia vivente nella biosfera è relativamente piccola. Se viene distribuito sulla superficie terrestre, il risultato è uno strato di soli 1,5 cm.La Tabella 4.1 mette a confronto alcune caratteristiche quantitative della biosfera e di altre geosfere della Terra. La biosfera, che costituisce meno di 10-6 volte la massa degli altri gusci del pianeta, presenta una diversità incomparabilmente maggiore e rinnova la sua composizione un milione di volte più velocemente.

Tabella 4.1

Confronto della biosfera con altre geosfere della Terra

*Materia viva basata sul peso vivo

4.4.1. Funzioni della biosfera

Grazie al biota della biosfera, avviene la parte predominante delle trasformazioni chimiche sul pianeta. Da qui la sentenza di V.I. Vernadsky sull'enorme ruolo geologico trasformativo della materia vivente. Durante l'evoluzione organica, gli organismi viventi sono passati attraverso se stessi, attraverso i loro organi, tessuti, cellule, sangue, l'intera atmosfera, l'intero volume dell'Oceano Mondiale, la maggior parte della massa del suolo e un'enorme massa di minerali migliaia di volte (per cicli diversi da 103 a 105 volte). E non solo se ne sono accorti, ma hanno anche modificato l’ambiente terrestre secondo le loro esigenze.

Grazie alla loro capacità di trasformare l'energia solare in energia di legami chimici, le piante e altri organismi svolgono una serie di funzioni biogeochimiche fondamentali su scala planetaria.

Funzione gas. Gli esseri viventi scambiano costantemente ossigeno e anidride carbonica con l'ambiente attraverso i processi di fotosintesi e respirazione. Le piante hanno avuto un ruolo decisivo nel passaggio da un ambiente riducente a uno ossidante nell'evoluzione geochimica del pianeta e nella formazione della composizione gassosa dell'atmosfera moderna. Le piante controllano rigorosamente le concentrazioni di O2 e CO2, che sono ottimali per la totalità di tutti gli organismi viventi moderni.

Funzione di concentrazione. Facendo passare grandi volumi di aria e soluzioni naturali attraverso i loro corpi, gli organismi viventi effettuano la migrazione biogenica (movimento di sostanze chimiche) e la concentrazione di elementi chimici e dei loro composti. Ciò riguarda la biosintesi della materia organica, la formazione di isole coralline, la costruzione di conchiglie e scheletri, la comparsa di strati calcarei sedimentari, i depositi di alcuni minerali metallici, l'accumulo di noduli di ferro-manganese sul fondo dell'oceano, ecc. le prime fasi dell’evoluzione biologica hanno avuto luogo nell’ambiente acquatico. Gli organismi hanno imparato a estrarre le sostanze di cui hanno bisogno da una soluzione acquosa diluita, aumentandone ripetutamente la concentrazione nel loro corpo.

La funzione redox della materia vivente è strettamente correlata alla migrazione biogenica degli elementi e alla concentrazione delle sostanze. Molte sostanze in natura sono stabili e non subiscono ossidazione in condizioni normali, ad esempio l'azoto molecolare è uno degli elementi biogenici più importanti. Ma le cellule viventi hanno catalizzatori così potenti – enzimi – che sono in grado di effettuare molte reazioni redox milioni di volte più velocemente di quanto possano avvenire in un ambiente abiotico.

Funzione informativa della materia vivente della biosfera. Fu con l'apparizione dei primi esseri viventi primitivi che sul pianeta apparvero informazioni attive (“viventi”), che differivano da quelle “morte”, che sono un semplice riflesso della struttura. Gli organismi si sono rivelati in grado di ottenere informazioni combinando un flusso di energia con una struttura molecolare attiva che svolge il ruolo di un programma. La capacità di percepire, immagazzinare ed elaborare le informazioni molecolari ha subito una rapida evoluzione in natura ed è diventata il più importante fattore di formazione del sistema ecologico. La fornitura totale di informazioni genetiche del biota è stimata in 1015 bit. La potenza totale del flusso di informazioni molecolari associate al metabolismo e all'energia in tutte le cellule del biota globale raggiunge i 1036 bit/s (Gorshkov et al., 1996).

4.4.2. Componenti del ciclo biologico.

Il ciclo biologico avviene tra tutti i componenti della biosfera (cioè tra suolo, aria, acqua, animali, microrganismi, ecc.). Si verifica con la partecipazione obbligatoria di organismi viventi.

La radiazione solare che raggiunge la biosfera trasporta un'energia di circa 2,5 * 1024 J all'anno. Solo lo 0,3% di esso viene convertito direttamente durante il processo di fotosintesi nell'energia dei legami chimici delle sostanze organiche, ad es. è coinvolto nel ciclo biologico. E lo 0,1 - 0,2% dell'energia solare che cade sulla Terra risulta essere contenuta nella pura produzione primaria. L'ulteriore destino di questa energia è associato al trasferimento della sostanza organica del cibo attraverso cascate di catene trofiche.

Il ciclo biologico può essere suddiviso condizionatamente in componenti interconnessi: il ciclo delle sostanze e il ciclo energetico.

4.4.3. Ciclo energetico. Trasformazione dell'energia nella biosfera

Un ecosistema può essere descritto come un insieme di organismi viventi che scambiano continuamente energia, materia e informazioni. L’energia può essere definita come la capacità di compiere lavoro. Le proprietà dell'energia, compreso il movimento dell'energia negli ecosistemi, sono descritte dalle leggi della termodinamica.

La prima legge della termodinamica o legge di conservazione dell'energia afferma che l'energia non scompare né si crea di nuovo, ma passa solo da una forma all'altra.

La seconda legge della termodinamica afferma che in un sistema chiuso l’entropia può solo aumentare. In relazione all'energia negli ecosistemi è conveniente la seguente formulazione: i processi associati alla trasformazione dell'energia possono avvenire spontaneamente solo a condizione che l'energia passi dalla forma concentrata a quella dispersa, cioè si degradi. La misura della quantità di energia che diventa indisponibile per l'uso, o altrimenti la misura del cambiamento nell'ordine che avviene durante la degradazione dell'energia, è l'entropia. Più alto è l’ordine del sistema, minore è la sua entropia.

In altre parole, la materia vivente riceve e trasforma l'energia dello spazio e del sole nell'energia dei processi terreni (chimici, meccanici, termici, elettrici). Coinvolge questa energia e materia inorganica nel ciclo continuo delle sostanze nella biosfera. Il flusso di energia nella biosfera ha una direzione: dal Sole attraverso le piante (autotrofi) fino agli animali (eterotrofi). Gli ecosistemi naturali incontaminati in uno stato stabile con indicatori ambientali critici costanti (omeostasi) sono i sistemi più ordinati e sono caratterizzati dalla più bassa entropia.

4.4.4. Ciclo delle sostanze nella natura vivente

La formazione della materia vivente e la sua decomposizione sono due facce di un unico processo, chiamato ciclo biologico degli elementi chimici. La vita è il ciclo degli elementi chimici tra gli organismi e l'ambiente.

La ragione del ciclo è il numero limitato di elementi da cui sono costruiti i corpi degli organismi. Ogni organismo estrae dall'ambiente le sostanze necessarie alla vita e restituisce quelle inutilizzate. In cui:

Alcuni organismi consumano minerali direttamente dall'ambiente;

altri utilizzano prima prodotti trasformati e isolati;

terzo - secondo, ecc., fino a quando le sostanze ritornano nell'ambiente allo stato originario.

Nella biosfera esiste un’ovvia necessità di coesistenza di vari organismi in grado di utilizzare i reciproci prodotti di scarto. Vediamo una produzione biologica praticamente priva di rifiuti.

La circolazione delle sostanze negli organismi viventi può essere grosso modo ridotta a quattro processi:

1. Fotosintesi. Come risultato della fotosintesi, le piante assorbono e accumulano energia solare e sintetizzano sostanze organiche - prodotti biologici primari - e ossigeno da sostanze inorganiche. I prodotti biologici primari sono molto diversi: contengono carboidrati (glucosio), amido, fibre, proteine ​​e grassi.

Lo schema della fotosintesi per il carboidrato più semplice (glucosio) ha il seguente schema:

Questo processo avviene solo durante il giorno ed è accompagnato da un aumento della massa vegetale.

Sulla Terra, come risultato della fotosintesi, si formano ogni anno circa 100 miliardi di tonnellate di materia organica, vengono assorbiti circa 200 miliardi di tonnellate di anidride carbonica e rilasciati circa 145 miliardi di tonnellate di ossigeno.

La fotosintesi gioca un ruolo decisivo nel garantire l’esistenza della vita sulla Terra. La sua importanza globale è spiegata dal fatto che la fotosintesi è l'unico processo durante il quale l'energia in un processo termodinamico, secondo il principio minimalista, non viene dissipata, ma piuttosto accumulata.

Sintetizzando gli amminoacidi necessari per la costruzione delle proteine, le piante possono esistere in modo relativamente indipendente dagli altri organismi viventi. Ciò manifesta l'autotrofia delle piante (indipendenza nella nutrizione). Allo stesso tempo, la massa verde delle piante e l'ossigeno prodotto durante la fotosintesi costituiscono la base per sostenere la vita del prossimo gruppo di organismi viventi: animali, microrganismi. Ciò dimostra l'eterotrofia di questo gruppo di organismi.

2. Respirazione. Il processo è il contrario della fotosintesi. Si verifica in tutte le cellule viventi. Durante la respirazione, la materia organica viene ossidata dall'ossigeno, con conseguente formazione di anidride carbonica, acqua e rilascio di energia.

3. Connessioni alimentari (trofiche) tra organismi autotrofi ed eterotrofi. In questo caso, energia e materia vengono trasferite lungo gli anelli della catena alimentare, di cui abbiamo parlato più in dettaglio in precedenza.

4. Il processo di traspirazione. Uno dei processi più importanti del ciclo biologico.

Può essere schematicamente descritto come segue. Le piante assorbono l'umidità del suolo attraverso le radici. Allo stesso tempo ricevono minerali disciolti nell'acqua, che vengono assorbiti e l'umidità evapora più o meno intensamente a seconda delle condizioni ambientali.

4.4.5. Cicli biogeochimici

I cicli geologici e biologici sono collegati: esistono come un unico processo, dando origine alla circolazione di sostanze, i cosiddetti cicli biogeochimici (BGCC). Questo ciclo degli elementi è dovuto alla sintesi e al decadimento delle sostanze organiche presenti nell'ecosistema (Fig. 4.1).Non tutti gli elementi della biosfera sono coinvolti nel BGCC, ma solo quelli biogenici. Gli organismi viventi ne sono composti; questi elementi entrano in numerose reazioni e partecipano ai processi che si verificano negli organismi viventi. In termini percentuali, la massa totale della materia vivente nella biosfera è costituita dai seguenti principali elementi biogenici: ossigeno - 70%, carbonio - 18%, idrogeno - 10,5%, calcio - 0,5%, potassio - 0,3%, azoto - 0, 3% (ossigeno, idrogeno, azoto, carbonio sono presenti in tutti i paesaggi e sono la base degli organismi viventi - 98%).

L'essenza della migrazione biogenica degli elementi chimici.

Pertanto, nella biosfera esiste un ciclo biogenico delle sostanze (cioè un ciclo causato dall'attività vitale degli organismi) e un flusso unidirezionale di energia. La migrazione biogenica degli elementi chimici è determinata principalmente da due processi opposti:

1. Formazione di materia vivente da elementi ambientali dovuta all'energia solare.

2. Distruzione di sostanze organiche, accompagnata dal rilascio di energia. In questo caso, elementi di sostanze minerali entrano ripetutamente negli organismi viventi, diventando così parte di composti organici complessi, forme e quindi, quando questi ultimi vengono distrutti, acquisiscono nuovamente una forma minerale.

Esistono elementi che fanno parte degli organismi viventi, ma non sono classificati come biogenici. Tali elementi sono classificati in base alla loro frazione in peso negli organismi:

Macroelementi – costituiscono almeno il 10-2% della massa;

Microelementi – componenti dal 9*10-3 all'1*10-3% della massa;

Ultramicroelementi – meno del 9*10-6% della massa;

Per determinare la posizione dei nutrienti tra gli altri elementi chimici della biosfera, consideriamo la classificazione accettata in ecologia. In base alla loro attività nei processi che si verificano nella biosfera, tutti gli elementi chimici sono divisi in 6 gruppi:

Gas nobili: elio, neon, argon, kripton, xeno. I gas inerti non fanno parte degli organismi viventi.

Metalli nobili: rutenio, radio, palladio, osmio, iridio, platino, oro. Questi metalli non creano quasi nessun composto nella crosta terrestre.

Elementi ciclici o biogenici (sono anche detti migratori). Questo gruppo di elementi biogenici nella crosta terrestre rappresenta il 99,7% della massa totale e i restanti 5 gruppi - lo 0,3%. Pertanto, la maggior parte degli elementi sono migranti che circolano nell'involucro geografico, e la parte degli elementi inerti è molto piccola.

Elementi sparsi caratterizzati da una predominanza di atomi liberi. Entrano in reazioni chimiche, ma i loro composti si trovano raramente nella crosta terrestre. Sono divisi in due sottogruppi. I primi - rubidio, cesio, niobio, tantalio - creano composti nelle profondità della crosta terrestre e sulla superficie i loro minerali vengono distrutti. Il secondo - iodio, bromo - reagisce solo in superficie.

Elementi radioattivi: polonio, radon, radio, uranio, nettunio, plutonio.

Elementi delle terre rare: ittrio, samario, europio, tulio, ecc.

Durante tutto l'anno i cicli biochimici mettono in moto circa 480 miliardi di tonnellate di materia.

IN E. Vernadsky ha formulato tre principi biogeochimici che spiegano l'essenza della migrazione biogenica degli elementi chimici:

La migrazione biogenica degli elementi chimici nella biosfera tende sempre alla sua massima manifestazione.

L'evoluzione delle specie nel corso dei tempi geologici, portando alla creazione di forme di vita stabili, va in una direzione che favorisce la migrazione biogenica degli atomi.

La materia vivente è in continuo scambio chimico con il suo ambiente, che è un fattore che ricrea e mantiene la biosfera.

Consideriamo come alcuni di questi elementi si muovono nella biosfera.

Ciclo del carbonio. Il principale partecipante al ciclo biotico è il carbonio come base delle sostanze organiche. Il ciclo del carbonio avviene principalmente tra la materia vivente e l'anidride carbonica atmosferica attraverso il processo di fotosintesi. È ottenuto dal cibo dagli erbivori e dagli erbivori dai carnivori. Durante la respirazione e il decadimento, l'anidride carbonica viene parzialmente restituita all'atmosfera; il ritorno avviene quando i minerali organici vengono bruciati.

In assenza di ritorno di carbonio nell’atmosfera, verrebbe consumato dalle piante verdi in 7-8 anni. Il tasso di ricambio biologico del carbonio attraverso la fotosintesi è di 300 anni. Gli oceani svolgono un ruolo importante nella regolazione del contenuto di CO2 nell’atmosfera. Se il contenuto di CO2 aumenta nell'atmosfera, una parte di essa si dissolve in acqua, reagendo con il carbonato di calcio.

Ciclo dell'ossigeno.

L’ossigeno ha un’elevata attività chimica e si combina con quasi tutti gli elementi della crosta terrestre. Si trova principalmente sotto forma di composti. Ogni quarto atomo della materia vivente è un atomo di ossigeno. Quasi tutto l'ossigeno molecolare nell'atmosfera ha origine ed è mantenuto a un livello costante grazie all'attività delle piante verdi. L'ossigeno atmosferico, legato durante la respirazione e rilasciato durante la fotosintesi, attraversa tutti gli organismi viventi in 200 anni.

Ciclo dell'azoto. L’azoto è parte integrante di tutte le proteine. Il rapporto generale tra l'azoto fisso, come elemento che costituisce la materia organica, e l'azoto in natura è 1:100.000. L'energia del legame chimico in una molecola di azoto è molto elevata. Pertanto, la combinazione dell'azoto con altri elementi - ossigeno, idrogeno (il processo di fissazione dell'azoto) - richiede molta energia. La fissazione dell'azoto industriale avviene in presenza di catalizzatori ad una temperatura di -500°C e una pressione di –300 atm.

Come sapete, l'atmosfera contiene più del 78% di azoto molecolare, ma in questo stato non è disponibile per le piante verdi. Per la loro nutrizione, le piante possono utilizzare solo sali di acido nitrico e nitroso. Quali sono le modalità con cui si formano questi sali? Ecco qui alcuni di loro:

Nella biosfera, la fissazione dell'azoto viene effettuata da diversi gruppi di batteri anaerobici e cianobatteri a temperatura e pressione normali grazie all'elevata efficienza della biocatalisi. Si ritiene che i batteri convertano circa 1 miliardo di tonnellate di azoto all'anno in una forma legata (il volume globale di fissazione industriale è di circa 90 milioni di tonnellate).

I batteri che fissano l’azoto nel suolo sono in grado di assorbire l’azoto molecolare dall’aria. Arricchiscono il terreno con composti azotati, quindi la loro importanza è estremamente grande.

Come risultato della decomposizione di composti contenenti azoto di sostanze organiche di origine vegetale e animale.

Sotto l'influenza dei batteri, l'azoto si trasforma in nitrati, nitriti e composti di ammonio. Nelle piante, i composti dell'azoto partecipano alla sintesi dei composti proteici, che vengono trasmessi da un organismo all'altro nella catena alimentare.

Ciclo del fosforo. Un altro elemento importante, senza il quale la sintesi proteica è impossibile, è il fosforo. Le fonti principali sono le rocce ignee (apatiti) e le rocce sedimentarie (fosforiti).

Il fosforo inorganico è coinvolto nel ciclo a seguito di processi di lisciviazione naturale. Il fosforo viene assorbito dagli organismi viventi che, con la sua partecipazione, sintetizzano una serie di composti organici e li trasferiscono a vari livelli trofici.

Dopo aver completato il suo viaggio attraverso le catene trofiche, i fosfati organici vengono decomposti dai microbi e convertiti in fosfati minerali disponibili per le piante verdi.

Nel processo di circolazione biologica, che garantisce il movimento di materia ed energia, non c'è spazio per l'accumulo di rifiuti. I prodotti di scarto (cioè i rifiuti) di ciascuna forma di vita forniscono un terreno fertile per altri organismi.

In teoria, nella biosfera dovrebbe sempre essere mantenuto un equilibrio tra la produzione della biomassa e la sua decomposizione. Tuttavia, in alcuni periodi geologici, l'equilibrio del ciclo biologico è stato disturbato quando, a causa di determinate condizioni naturali e disastri, non tutti i prodotti biologici sono stati assimilati e trasformati. In questi casi si sono formati prodotti biologici in eccesso, che sono stati preservati e depositati nella crosta terrestre, sotto lo spessore dell'acqua, dei sedimenti, e sono finiti nella zona del permafrost. È così che si sono formati i depositi di carbone, petrolio, gas e calcare. Va notato che non inquinano la biosfera. L'energia del Sole, accumulata durante il processo di fotosintesi, è concentrata nei minerali organici. Ora, bruciando minerali combustibili organici, una persona rilascia questa energia.