Gyvose ląstelėse vyksta daug fermentinių reakcijų. Visą šių reakcijų rinkinį deriname su bendra medžiagų apykaitos samprata, tačiau būtų klaidinga manyti, kad ląstelė yra ne kas kita, kaip membraninis maišelis, kuriame fermentai veikia atsitiktinai, netvarkingai. Metabolizmas yra labai koordinuota ir kryptinga ląstelių veikla, kurią užtikrina daugybė tarpusavyje susijusių daugelio fermentų sistemų. Jis atlieka keturias specifines funkcijas: 1) tiekia cheminę energiją, kuri gaunama skaidant iš aplinkos į organizmą patenkančias energetines maistines medžiagas arba paverčiant pagautą saulės šviesos energiją; 2) maisto molekulių pavertimas statybiniais blokais, kuriuos vėliau ląstelė panaudoja makromolekulėms kurti; 3) baltymų, nukleorūgščių, lipidų, polisacharidų ir kitų ląstelių komponentų surinkimas iš šių statybinių blokų; 4) tų biomolekulių, kurios būtinos bet kurioms konkrečioms konkrečios ląstelės funkcijoms atlikti, sintezė ir naikinimas.

Nors medžiagų apykaita susideda iš šimtų skirtingų fermentinių reakcijų, dažniausiai mus labiausiai domina centriniai metabolizmo keliai, kurie iš esmės yra vienodi visose gyvose formose. Šiame apžvalginiame skyriuje apžvelgsime medžiagų apykaitai reikalingų medžiagų ir energijos šaltinius, pagrindinius metabolizmo kelius, naudojamus pagrindinių ląstelių komponentų sintezei ir skaidymui, cheminės energijos perdavimo mechanizmus ir galiausiai tuos eksperimentinius metodus, kurie naudojami medžiagų apykaitos keliams tirti.

13.1. Gyvi organizmai dalyvauja anglies ir deguonies cikle

Pradėsime nuo makroskopinių medžiagų apykaitos aspektų, nuo bendros metabolinės sąveikos tarp biosferos gyvų organizmų. Visi gyvi organizmai gali būti suskirstyti į dvi dideles grupes, atsižvelgiant į cheminę formą, kuria jie sugeba sugerti iš aplinkos gaunamą anglį. Autotrofinės ląstelės („savaime maitinasi“) gali naudoti atmosferos anglį kaip vienintelį anglies šaltinį, iš kurio jos sukuria visas anglies turinčias biomolekules.

Šiai grupei priklauso fotosintetinės bakterijos ir žaliųjų augalų lapų ląstelės. Kai kurie autotrofai, pavyzdžiui, cianobakterijos, taip pat gali naudoti atmosferos azotą visų savo azoto turinčių komponentų sintezei. Heterotrofinės ląstelės („maitina kitų sąskaita“) neturi gebėjimo sugerti atmosferos; jie turi gauti anglį pakankamai sudėtingų organinių junginių, tokių kaip, pavyzdžiui, gliukozės, pavidalu. Heterotrofai apima aukštesniųjų gyvūnų ląsteles ir daugumą mikroorganizmų. Autotrofai, aprūpinantys save viskuo, ko reikia gyvybei, turi tam tikrą savarankiškumą, o heterotrofai, kuriems reikalingi sudėtingi anglies šaltiniai, minta kitų ląstelių atliekomis.

Yra dar vienas svarbus skirtumas tarp šių dviejų grupių. Daugelis autotrofinių organizmų vykdo fotosintezę, tai yra, jie turi galimybę panaudoti saulės šviesos energiją, o heterotrofinės ląstelės joms reikalingą energiją gauna skaidydamos autotrofų gaminamus organinius junginius. Biosferoje autotrofai ir heterotrofai kartu egzistuoja kaip vieno milžiniško ciklo dalyviai, kurio metu autotrofiniai organizmai iš atmosferos sukuria organines biomolekules, o kai kurie iš jų išskiria deguonį į atmosferą. Heterotrofai naudoja autotrofų gaminamus organinius produktus kaip maistą ir grąžina juos į atmosferą. Tokiu būdu vyksta nuolatinė anglies ir deguonies cirkuliacija tarp gyvūnų ir augalų pasaulių. Šio kolosalaus proceso energijos šaltinis yra saulės šviesa (13-1 pav.).

Autotrofinius ir heterotrofinius organizmus savo ruožtu galima suskirstyti į poklasius. Pavyzdžiui, yra du dideli heterotrofų poklasiai: aerobai ir anaerobai. Aerobai gyvena aplinkoje, kurioje yra deguonies, ir oksiduoja organines maistines medžiagas molekuliniu deguonimi.

Ryžiai. 13-1. Anglies dioksido ciklas ir deguonies ciklas tarp dviejų Žemės biosferos sričių – fotosintezės ir heterotrofinės. Šio ciklo mastai milžiniški. Per metus biosferoje jis cirkuliuoja daugiau nei anglis. Švietimo ir vartojimo pusiausvyra yra vienas iš svarbių veiksnių, lemiančių klimatą Žemėje. Per pastaruosius 100 metų jo kiekis atmosferoje padidėjo apie 25% dėl didėjančio anglies ir naftos deginimo. Kai kurie mokslininkai teigia, kad toliau padidėjus atmosferos kiekiui, padidės vidutinė atmosferos temperatūra („šiltnamis“); Tačiau ne visi su tuo sutinka, nes sunku tiksliai nustatyti biosferoje susidariusių ir pasikartojančių ciklų bei vandenynų absorbuotų kiekių kiekį. Per augalus visa atmosfera praeina apie 300 metų.

Anaerobams maistinėms medžiagoms oksiduoti nereikia deguonies; jie gyvena aplinkoje, kurioje nėra deguonies. Daugelis ląstelių, tokių kaip mielės, gali egzistuoti tiek aerobinėmis, tiek anaerobinėmis sąlygomis. Tokie organizmai vadinami fakultatyviniais anaerobais. Tačiau privalomiems anaerobams, kurie negali naudoti deguonies, pastarasis yra nuodas. Tokie, pavyzdžiui, yra organizmai, gyvenantys giliai dirvožemyje arba jūros dugne. Dauguma heterotrofinių ląstelių, ypač aukštesniųjų, yra fakultatyviniai anaerobai, tačiau esant deguoniui jos naudoja aerobinius metabolizmo kelius, kad oksiduotų maistines medžiagas.

Tame pačiame organizme skirtingos ląstelių grupės gali priklausyti skirtingoms klasėms.

Pavyzdžiui, aukštesniuosiuose augaluose žalios chlorofilo turinčios lapų ląstelės yra fotosintezės autotrofai, o chlorofilo neturinčios šaknų ląstelės yra heterotrofai. Be to, žalios lapų ląstelės autotrofiškai egzistuoja tik dieną. Naktį jie veikia kaip heterotrofai ir gauna reikiamą energiją šviesoje oksiduodami jų susintetintus angliavandenius.

Šiame darbe siūlome apsvarstyti, kas yra biologinis ciklas. Kokios jo funkcijos ir reikšmė mūsų planetai. Taip pat atkreipsime dėmesį į energijos šaltinio jo įgyvendinimui klausimą.

Ką dar reikia žinoti prieš nagrinėjant biologinį ciklą, yra tai, kad mūsų planetą sudaro trys apvalkalai:

• litosfera (kietas apvalkalas, grubiai tariant, tai yra žemė, kuria mes vaikštome);
• hidrosfera (kur galima priskirti visą vandenį, tai yra jūros, upės, vandenynai ir pan.);
• atmosfera (dujinis apvalkalas, oras, kuriuo kvėpuojame).

Tarp visų sluoksnių yra aiškios ribos, tačiau jie gali be jokių sunkumų prasiskverbti vienas į kitą.

Medžiagų cirkuliacija

Visi šie sluoksniai sudaro biosferą. Kas yra biologinis ciklas? Tai yra tada, kai medžiagos juda visoje biosferoje, būtent dirvožemyje, ore, gyvuose organizmuose. Ši begalinė cirkuliacija vadinama biologiniu ciklu. Taip pat svarbu žinoti, kad viskas prasideda ir baigiasi augaluose.

Po juo slypi neįtikėtinai sudėtingas procesas. Bet kokios medžiagos iš dirvožemio ir atmosferos patenka į augalus, paskui į kitus gyvus organizmus. Tada kūnuose, kurie juos sugėrė, jie pradeda aktyviai gaminti kitus sudėtingus junginius, po kurių pastarieji išsiskiria. Galima sakyti, kad tai yra procesas, kurio metu išreiškiamas visko, kas yra mūsų planetoje, tarpusavio ryšys. Organizmai sąveikauja vienas su kitu – tai vienintelis būdas, kuriuo mes egzistuojame iki šiol.

Atmosfera ne visada buvo tokia, kokią mes žinome. Anksčiau mūsų oro apvalkalas labai skyrėsi nuo dabartinio, būtent buvo prisotintas anglies dioksido ir amoniako. Kaip tada atsirado žmonių, kurie kvėpavimui naudoja deguonį? Turėtume padėkoti žaliesiems augalams, kurie sugebėjo mūsų atmosferą paversti tokia forma, kokios reikia žmonėms. Orą ir augalus sugeria žolėdžiai gyvūnai, jie taip pat įtraukti į plėšrūnų valgiaraštį. Kai gyvūnai miršta, jų palaikus apdoroja mikroorganizmai. Taip gaunamas augalų augimui reikalingas humusas. Kaip matote, ratas uždarytas.

Energijos šaltinis

Biologinis ciklas neįmanomas be energijos. Kas arba kas yra energijos šaltinis organizuojant šį mainą? Žinoma, mūsų šiluminės energijos šaltinis yra žvaigždė Saulė. Biologinis ciklas tiesiog neįmanomas be mūsų šilumos ir šviesos šaltinio. Saulė šildo

• oras;
• dirvožemis;
• augmenija.

Kaitinant išgaruoja vanduo, kuris atmosferoje pradeda kauptis debesų pavidalu. Visas vanduo ilgainiui sugrįš į Žemės paviršių lietaus ar sniego pavidalu. Sugrįžusi ji sugeria žemę, ją čiulpia įvairių medžių šaknys. Jei vanduo sugebėjo prasiskverbti labai giliai, tada jis papildo požeminio vandens atsargas, o dalis jo grįžta net į upes, ežerus, jūras ir vandenynus.

Kaip žinote, kvėpuodami mes pasiimame deguonies ir iškvėpiame anglies dioksidą. Taigi, medžiams reikia saulės energijos, kad galėtų apdoroti anglies dioksidą ir grąžinti deguonį į atmosferą. Šis procesas vadinamas fotosinteze.

Biologiniai ciklai

Pradėkime šį skyrių nuo „biologinio proceso“ sąvokos. Tai pasikartojantis reiškinys. Galime stebėti, kurie susideda iš biologinių procesų, nuolat pasikartojančių tam tikrais intervalais.

Biologinį procesą galima pamatyti visur, jis būdingas visiems Žemės planetoje gyvenantiems organizmams. Tai taip pat yra visų organizacijos lygių dalis. Tai yra, tiek ląstelės viduje, tiek biosferoje galime stebėti šiuos procesus. Galime išskirti keletą biologinių procesų tipų (ciklų):

• per dieną;
• dienpinigiai;
• sezoninis;
• metinis;
• daugiametis;
• šimtmečių senumo.

Metiniai ciklai yra ryškiausi. Mes juos stebime visada ir visur, tik reikia šiek tiek pagalvoti apie šią problemą.

Vanduo

Dabar kviečiame panagrinėti biologinį ciklą gamtoje, pasitelkiant vandens, labiausiai paplitusio mūsų planetoje junginio, pavyzdį. Jis turi daug galimybių, leidžiančių dalyvauti daugelyje procesų tiek organizme, tiek už jos ribų. Visų gyvų būtybių gyvenimas priklauso nuo H 2 O ciklo gamtoje. Be vandens mūsų nebūtų, o planeta būtų kaip negyva dykuma. Ji gali dalyvauti visuose gyvybiniuose procesuose. Tai yra, galime padaryti tokią išvadą: visoms Žemės planetos gyvoms būtybėms tiesiog reikia švaraus vandens.

Tačiau vanduo visada yra užterštas dėl bet kokių procesų. Kaip tuomet pasirūpinti neišsenkamais švaraus geriamojo vandens atsargomis? Gamta tuo pasirūpino, turėtume dėkoti už tokio vandens ciklo egzistavimą gamtoje. Mes jau aptarėme, kaip visa tai vyksta. Vanduo išgaruoja, kaupiasi debesyse ir iškrenta kaip krituliai (lietus ar sniegas). Šis procesas vadinamas „hidrologiniu ciklu“. Jis pagrįstas keturiais procesais:

• garinimas;
• kondensacija;
• krituliai;
• vandens nutekėjimas.

Yra dviejų tipų vandens ciklas: didelis ir mažas.

Anglies

Dabar mes apsvarstysime, kaip biologija atsiranda gamtoje. Taip pat svarbu žinoti, kad ji užima tik 16 vietą pagal medžiagų procentą. Jį galima rasti deimantų ir grafito pavidalu. O jo procentas anglyse viršija devyniasdešimt procentų. Anglis netgi įtraukta į atmosferą, tačiau jos kiekis labai mažas, apie 0,05 proc.

Biosferoje anglies dėka tiesiog susidaro masė įvairių organinių junginių, kurių reikia visai mūsų planetos gyvybei. Apsvarstykite fotosintezės procesą: augalai sugeria anglies dioksidą iš atmosferos ir jį perdirba, todėl turime įvairių organinių junginių.

Fosforas

Biologinio ciklo vertė yra gana didelė. Net jei imtume fosforą, jo kauluose yra daug, jis būtinas augalams. Pagrindinis šaltinis yra apatitas. Jį galima rasti magminėje uolienoje. Gyvi organizmai gali jį gauti iš:

• dirvožemis;
• vandens ištekliai.

Jis taip pat randamas žmogaus kūne, ty yra dalis:

• baltymai;
• nukleino rūgštis;
• kaulinis audinys;
• lecitinai;
• armatūra ir pan.

Būtent fosforas yra būtinas energijos kaupimui organizme. Kai organizmas miršta, jis grįžta į dirvą arba į jūrą. Tai prisideda prie uolienų, turinčių daug fosforo, susidarymo. Tai labai svarbu biogeniniame cikle.

Azotas

Dabar pažvelgsime į azoto ciklą. Prieš tai pažymime, kad jis sudaro apie 80% viso atmosferos tūrio. Sutikite, šis skaičius yra gana įspūdingas. Azotas yra ne tik atmosferos sudėties pagrindas, bet ir augalų ir gyvūnų organizmuose. Mes galime jį sutikti baltymų pavidalu.

Kalbant apie azoto ciklą, galime pasakyti taip: nitratai susidaro iš atmosferos azoto, kuriuos sintetina augalai. Nitratų susidarymo procesas vadinamas azoto fiksavimu. Kai augalas miršta ir pūva, jame esantis azotas amoniako pavidalu patenka į dirvą. Pastarąjį apdoroja (oksiduoja) dirvožemiuose gyvenantys organizmai, todėl atsiranda azoto rūgštis. Jis gali reaguoti su karbonatais, kurie yra prisotinti dirvožemyje. Be to, reikia paminėti, kad azotas taip pat išsiskiria gryna forma dėl augalų irimo arba degimo procese.

Siera

Kaip ir daugelis kitų elementų, jis labai glaudžiai susijęs su gyvais organizmais. Siera į atmosferą patenka dėl ugnikalnių išsiveržimų. Sulfidinę sierą gali apdoroti mikroorganizmai, todėl gimsta sulfatai. Pastaruosius pasisavina augalai, siera yra eterinių aliejų dalis. Kalbant apie kūną, sieros galime rasti:

• amino rūgštys;
• baltymai.

Ar puikus rusų mokslininkas akademikas V.I. Vernadskis.

Biosfera- sudėtingas išorinis Žemės apvalkalas, kuriame yra gyvų organizmų visuma ir ta planetos medžiagos dalis, kuri nuolat keičiasi su šiais organizmais. Tai viena svarbiausių Žemės geosferų, kuri yra pagrindinė žmogų supančios gamtinės aplinkos sudedamoji dalis.

Žemė sudaryta iš koncentrinių kriauklės(geosferos) tiek vidinės, tiek išorinės. Vidiniai yra šerdis ir mantija, o išoriniai yra: litosfera -Žemės akmeninis apvalkalas, įskaitant žemės plutą (1 pav.), kurio storis nuo 6 km (po vandenynu) iki 80 km (kalnų sistemos); hidrosfera -Žemės vandens apvalkalas; atmosfera- dujinis Žemės apvalkalas, susidedantis iš įvairių dujų, vandens garų ir dulkių mišinio.

10–50 km aukštyje yra ozono sluoksnis, kurio didžiausia koncentracija yra 20–25 km aukštyje, saugantis Žemę nuo per didelės ultravioletinės spinduliuotės, kuri yra mirtina organizmui. Čia (išorinėms geosferoms) priklauso ir biosfera.

Biosfera - išorinis Žemės apvalkalas, apimantis dalį atmosferos iki 25-30 km aukščio (iki ozono sluoksnio), beveik visą hidrosferą ir viršutinę litosferos dalį iki maždaug 3 km gylio

Ryžiai. 1. Žemės plutos sandaros schema

(2 pav.). Šių dalių ypatumas yra tas, kad jose gyvena gyvi organizmai, sudarantys gyvąją planetos medžiagą. Sąveika abiotinė biosferos dalis- oras, vanduo, uolienos ir organinės medžiagos - biota paskatino dirvožemių ir nuosėdinių uolienų susidarymą.

Ryžiai. 2. Biosferos sandara ir paviršių, kuriuos užima pagrindiniai struktūriniai vienetai, santykis

Medžiagų ciklas biosferoje ir ekosistemose

Visi cheminiai junginiai, prieinami gyviems organizmams biosferoje, yra riboti. Asimiliacijai tinkamų cheminių medžiagų išsekimas dažnai trukdo tam tikroms organizmų grupėms vystytis vietinėse sausumos ar vandenyno vietose. Pasak akademiko V.R. Williamso, vienintelis būdas suteikti baigtines begalybės savybes yra priversti jį suktis išilgai uždaros kreivės. Vadinasi, dėl medžiagų cirkuliacijos ir energijos srautų išlaikomas biosferos stabilumas. Yra du pagrindiniai medžiagų ciklai: didelis – geologinis ir mažas – biogeocheminis.

Puikus geologinis ciklas(3 pav.). Kristalinės uolienos (magminės), veikiamos fizinių, cheminių ir biologinių veiksnių, virsta nuosėdinėmis uolienomis. Smėlis ir molis yra tipiškos nuosėdos, gilių uolienų virsmo produktai. Tačiau nuosėdų susidarymas vyksta ne tik dėl esamų uolienų naikinimo, bet ir dėl biogeninių mineralų – mikroorganizmų griaučių – sintezės iš gamtos išteklių – vandenynų vandenų, jūrų ir ežerų. Birios vandeningos nuosėdos, kadangi jas rezervuarų dugne izoliuoja naujos nuosėdinės medžiagos dalys, panardinamos į gilumą, patenka į naujas termodinamines sąlygas (aukštesnes temperatūras ir slėgius), praranda vandenį, sukietėja, virsdamos nuosėdinėmis uolienomis.

Ateityje šios uolienos grimzta į dar gilesnius horizontus, kuriuose vyksta giluminio jų virsmo naujomis temperatūros ir slėgio sąlygomis procesai – metamorfizmo procesai.

Endogeninių energijos srautų įtakoje giluminės uolienos perlydomos, susidaro magma – naujų magminių uolienų šaltinis. Šioms uolienoms iškilus į Žemės paviršių, veikiamos oro sąlygų ir transportavimo procesams, jos vėl virsta naujomis nuosėdinėmis uolienomis.

Taigi didelė cirkuliacija atsiranda dėl saulės (egzogeninės) energijos sąveikos su gilia (endogenine) Žemės energija. Jis perskirsto medžiagas tarp biosferos ir gilesnių mūsų planetos horizontų.

Ryžiai. 3. Didelė (geologinė) medžiagų cirkuliacija (plonos rodyklės) ir įvairovės pokytis žemės plutoje (ištisos plačios rodyklės – augimas, brūkšninės – įvairovės mažėjimas)

Didelis ratas taip pat vadinamas vandens ciklu tarp hidrosferos, atmosferos ir litosferos, kurį varo saulės energija. Vanduo išgaruoja nuo vandens telkinių ir žemės paviršiaus, o vėliau grįžta į Žemę kritulių pavidalu. Garavimas viršija kritulių kiekį virš vandenyno ir atvirkščiai – sausumoje. Šiuos skirtumus kompensuoja upių srautai. Žemės augmenija vaidina svarbų vaidmenį pasauliniame vandens cikle. Augalų transpiracija tam tikrose žemės paviršiaus vietose gali sudaryti iki 80-90% čia iškrintančių kritulių, o vidutiniškai visose klimato zonose - apie 30%. Priešingai nei didelis ciklas, mažas medžiagų ciklas vyksta tik biosferoje. Ryšys tarp didelių ir mažų vandens ciklų parodytas fig. keturi.

Planetos mastelio ciklai susidaro iš daugybės lokalių ciklinių atomų judėjimų, kuriuos lemia gyvybinė organizmų veikla atskirose ekosistemose, ir tų judėjimų, kuriuos sukelia kraštovaizdžio ir geologinių veiksnių (paviršinio ir požeminio nuotėkio, vėjo erozijos, jūros dugnas, ugnikalnis, kalnų pastatas ir kt.).

Ryžiai. 4. Ryšys tarp didelio vandens geologinio ciklo (GBC) ir mažojo vandens biogeocheminio ciklo (MBC)

Skirtingai nuo energijos, kurią organizmas panaudojo, virsta šiluma ir prarandama, biosferoje cirkuliuoja medžiagos, sukurdamos biogeocheminius ciklus. Iš daugiau nei devyniasdešimties gamtoje aptinkamų elementų gyviems organizmams reikia maždaug keturiasdešimties. Svarbiausi jiems reikalingi dideliais kiekiais – anglis, vandenilis, deguonis, azotas. Elementų ir medžiagų ciklai vyksta per savireguliacinius procesus, kuriuose dalyvauja visi komponentai. Šie procesai nėra atliekos. Egzistuoja visuotinio biogeocheminės cirkuliacijos uždarymo biosferoje dėsnis veikiantis visuose savo vystymosi etapuose. Biosferos evoliucijos procese biologinio komponento vaidmuo uždarant biogeocheminę
kam ciklas. Žmogus turi dar didesnę įtaką biogeocheminiam ciklui. Tačiau jo vaidmuo pasireiškia priešinga kryptimi (cirkuliacija tampa atvira). Biogeocheminės medžiagų cirkuliacijos pagrindas yra Saulės energija ir žaliųjų augalų chlorofilas. Kiti svarbiausi ciklai – vandens, anglies, azoto, fosforo ir sieros – yra susiję su biogeochemika ir prie to prisideda.

Vandens ciklas biosferoje

Augalai fotosintezės metu naudoja vandens vandenilį organiniams junginiams gaminti, išskirdami molekulinį deguonį. Visų gyvų būtybių kvėpavimo procesuose, oksiduojantis organiniams junginiams, vėl susidaro vanduo. Gyvybės istorijoje visas laisvasis hidrosferos vanduo ne kartą perėjo skilimo ir neoformacijos ciklus gyvojoje planetos medžiagoje. Kasmet Žemėje vandens cikle dalyvauja apie 500 000 km 3 vandens. Vandens ciklas ir jo atsargos parodytos fig. 5 (santykine prasme).

Deguonies ciklas biosferoje

Žemė už savo unikalią atmosferą, kurioje yra daug laisvo deguonies, yra fotosintezės procese. Ozono susidarymas aukštuose atmosferos sluoksniuose yra glaudžiai susijęs su deguonies ciklu. Deguonis išsiskiria iš vandens molekulių ir iš esmės yra augalų fotosintezės veiklos šalutinis produktas. Abiotiškai deguonis susidaro viršutiniuose atmosferos sluoksniuose dėl vandens garų fotodisociacijos, tačiau šis šaltinis yra tik tūkstantosios procentų dalies to, kurį tiekia fotosintezė. Tarp deguonies kiekio atmosferoje ir hidrosferoje yra judri pusiausvyra. Vandenyje jo yra apie 21 kartą mažiau.

Ryžiai. 6 pav. Deguonies ciklo schema: paryškintos rodyklės – pagrindiniai deguonies tiekimo ir suvartojimo srautai

Išsiskyręs deguonis intensyviai panaudojamas visų aerobinių organizmų kvėpavimo procesams ir įvairių mineralinių junginių oksidacijai. Šie procesai vyksta atmosferoje, dirvožemyje, vandenyje, dumbluose ir uolienose. Įrodyta, kad nemaža dalis nuosėdinėse uolienose surišto deguonies yra fotosintezės kilmės. O mainų fondas atmosferoje sudaro ne daugiau kaip 5% visos fotosintezės produkcijos. Daugelis anaerobinių bakterijų anaerobinio kvėpavimo metu taip pat oksiduoja organines medžiagas, tam naudodamos sulfatus arba nitratus.

Visiškam augalų sukurtam organinių medžiagų skaidymui reikalingas lygiai toks pat deguonies kiekis, kuris išsiskyrė fotosintezės metu. Organinių medžiagų laidojimas nuosėdinėse uolienose, anglies ir durpėse buvo pagrindas palaikyti deguonies mainų fondą atmosferoje. Visas jame esantis deguonis per visą gyvų organizmų ciklą praeina maždaug per 2000 metų.

Šiuo metu didelė dalis atmosferos deguonies yra surišta dėl transporto, pramonės ir kitų antropogeninės veiklos formų. Yra žinoma, kad žmonija jau išleidžia daugiau nei 10 milijardų tonų laisvo deguonies iš viso 430–470 milijardų tonų, tiekiamo fotosintezės procesais. Jei atsižvelgsime į tai, kad į mainų fondą patenka tik nedidelė dalis fotosintetinio deguonies, žmonių aktyvumas šiuo atžvilgiu pradeda įgauti nerimą keliančius mastus.

Deguonies ciklas yra glaudžiai susijęs su anglies ciklu.

Anglies ciklas biosferoje

Anglis kaip cheminis elementas yra gyvybės pagrindas. Jis gali įvairiais būdais jungtis su daugeliu kitų elementų, sudarydamas paprastas ir sudėtingas organines molekules, kurios yra gyvų ląstelių dalis. Pagal pasiskirstymą planetoje anglis užima vienuoliktą vietą (0,35 % žemės plutos masės), tačiau gyvojoje medžiagoje ji vidutiniškai sudaro apie 18 arba 45 % sausos biomasės.

Atmosferoje anglis yra įtraukta į anglies dioksido CO 2 sudėtį, mažesniu mastu - į metano CH 4 sudėtį. Hidrosferoje CO 2 yra ištirpęs vandenyje, o bendras jo kiekis yra daug didesnis nei atmosferos. Vandenynas tarnauja kaip galingas buferis CO 2 reguliavimui atmosferoje: didėjant jo koncentracijai ore, didėja anglies dioksido absorbcija vandenyje. Kai kurios CO 2 molekulės reaguoja su vandeniu, sudarydamos anglies rūgštį, kuri vėliau disocijuoja į HCO 3 - ir CO 2- 3 jonus. Šie jonai reaguoja su kalcio arba magnio katijonais, kad nusodintų karbonatus. Panašios reakcijos yra ir vandenyno buferinės sistemos pagrindas. išlaikyti pastovų vandens pH.

Atmosferos ir hidrosferos anglies dioksidas yra anglies ciklo mainų fondas, iš kurio jį ima sausumos augalai ir dumbliai. Fotosintezė yra visų biologinių ciklų Žemėje pagrindas. Fiksuotos anglies išsiskyrimas vyksta pačių fotosintetinių organizmų ir visų heterotrofų – bakterijų, grybų, gyvūnų, įtrauktų į mitybos grandinę, kvėpavimo aktyvumo metu gyvų ar negyvų organinių medžiagų sąskaita.

Ryžiai. 7. Anglies ciklas

Ypač aktyvus yra CO 2 grąžinimas į atmosferą iš dirvožemio, kur koncentruojasi daugybės organizmų grupių veikla, skaidomos negyvų augalų ir gyvūnų liekanos bei vykdomas augalų šaknų sistemų kvėpavimas. Šis vientisas procesas vadinamas „dirvožemio kvėpavimu“ ir labai prisideda prie CO 2 mainų fondo papildymo ore. Lygiagrečiai su organinių medžiagų mineralizacijos procesais dirvožemiuose susidaro humusas – sudėtingas ir stabilus molekulinis kompleksas, kuriame gausu anglies. Dirvožemio humusas yra vienas iš svarbiausių anglies rezervuarų sausumoje.

Sąlygomis, kai destruktorių veiklą slopina aplinkos veiksniai (pavyzdžiui, kai dirvožemyje ir vandens telkinių dugne susidaro anaerobinis režimas), augalijos sukauptos organinės medžiagos nesuyra, laikui bėgant virsdamos uolienomis, tokiomis kaip anglis, durpės, sapropelis, naftingieji skalūnai ir kiti, kuriuose gausu sukauptos saulės energijos. Jie papildo rezervinį anglies fondą, ilgą laiką išjungti iš biologinio ciklo. Anglis taip pat laikinai nusėda į gyvą biomasę, negyvas šiukšles, ištirpusias vandenyno organines medžiagas ir kt. Tačiau pagrindinis anglies rezervo fondas yra ne gyvi organizmai ir ne degios fosilijos, bet nuosėdinės uolienos yra kalkakmeniai ir dolomitai. Jų susidarymas taip pat susijęs su gyvosios medžiagos veikla. Šių karbonatų anglis ilgam palaidota Žemės žarnyne ir į cirkuliaciją patenka tik erozijos metu, kai uolienos atsidengia tektoniniais ciklais.

Biogeocheminiame cikle dalyvauja tik procentinės anglies dalys nuo viso jos kiekio Žemėje. Atmosferos ir hidrosferos anglis nuolat praeina per gyvus organizmus. Sausumos augalai savo atsargas ore sugeba išnaudoti per 4–5 metus, dirvos humuso atsargas – per 300–400 metų. Pagrindinis anglies grąžinimas į mainų fondą įvyksta dėl gyvų organizmų veiklos, o tik nedidelė jos dalis (tūkstančiosios procento dalys) kompensuojama išsiskiriant iš Žemės vidaus kaip vulkaninių dujų dalis.

Šiuo metu didžiulių iškastinio kuro atsargų gavyba ir deginimas tampa galingu veiksniu anglies perkėlimui iš rezervo į biosferos mainų fondą.

Azoto ciklas biosferoje

Atmosferoje ir gyvojoje medžiagoje yra mažiau nei 2% viso azoto Žemėje, tačiau būtent jis palaiko gyvybę planetoje. Azotas yra svarbiausių organinių molekulių – DNR, baltymų, lipoproteinų, ATP, chlorofilo ir kt. todėl taip pat glaudžiai susiję su anglimi.

Atmosferos molekulinis azotas nepasiekiamas augalams, kurie šį elementą gali absorbuoti tik amonio jonų, nitratų pavidalu arba iš dirvožemio ar vandens tirpalų. Todėl azoto trūkumas dažnai yra veiksnys, ribojantis pirminę gamybą – organizmų darbą, susijusį su organinių medžiagų kūrimu iš neorganinių. Nepaisant to, atmosferos azotas plačiai dalyvauja biologiniame cikle dėl specialių bakterijų (azoto fiksatorių) veiklos.

Amonifikuojantys mikroorganizmai taip pat vaidina svarbų vaidmenį azoto cikle. Jie skaido baltymus ir kitas azoto turinčias organines medžiagas į amoniaką. Amonio formoje azotą iš dalies reabsorbuoja augalų šaknys, o dalį sulaiko nitrifikuojantys mikroorganizmai, o tai prieštarauja grupės mikroorganizmų – denitrifikatorių – funkcijoms.

Ryžiai. 8. Azoto ciklas

Dirvožemyje ar vandenyse anaerobinėmis sąlygomis jie naudoja nitratų deguonį organinėms medžiagoms oksiduoti, gaudami energijos savo gyvybinei veiklai. Azotas redukuojamas į molekulinį azotą. Azoto fiksavimas ir denitrifikacija gamtoje yra maždaug subalansuoti. Taigi azoto ciklas daugiausia priklauso nuo bakterijų aktyvumo, o augalai į jį patenka naudodami tarpinius šio ciklo produktus ir labai padidindami azoto cirkuliaciją biosferoje gamindami biomasę.

Bakterijų vaidmuo azoto cikle yra toks didelis, kad sunaikinus tik 20 jų rūšių, gyvybė mūsų planetoje nutrūks.

Nebiologinis azoto fiksavimas ir jo oksidų bei amoniako patekimas į dirvožemį taip pat vyksta su krituliais atmosferos jonizacijos ir žaibo išlydžių metu. Šiuolaikinė trąšų pramonė fiksuoja atmosferos azotą, viršijantį natūralų azoto fiksavimą, kad padidintų augalų derlių.

Šiuo metu žmogaus veikla vis labiau veikia azoto ciklą, daugiausia tam, kad jis virstų surištomis formomis, grįždamas į molekulinę būseną.

Fosforo ciklas biosferoje

Šį elementą, reikalingą daugelio organinių medžiagų, įskaitant ATP, DNR, RNR, sintezei, augalai absorbuoja tik ortofosforo rūgšties jonų (PO 3 4+) pavidalu. Jis priklauso elementams, ribojantiems pirminę gamybą tiek sausumoje, tiek ypač vandenyne, nes fosforo mainų fondas dirvožemyje ir vandenyse yra mažas. Šio elemento cirkuliacija biosferos mastu nėra uždara.

Sausumoje augalai ima iš dirvožemio fosfatus, kuriuos skaidytojai išskiria iš pūvančių organinių liekanų. Tačiau šarminėje ar rūgštinėje dirvoje fosforo junginių tirpumas smarkiai sumažėja. Pagrindinis fosfatų rezervo fondas yra uolienose, susidariusiose vandenyno dugne geologinėje praeityje. Uolienų išplovimo metu dalis šių atsargų patenka į dirvožemį ir suspensijų bei tirpalų pavidalu išplaunama į vandens telkinius. Hidrosferoje fosfatus naudoja fitoplanktonas, maisto grandinėmis pereina į kitus hidrobiontus. Tačiau vandenyne dauguma fosforo junginių yra palaidoti su gyvūnų ir augalų liekanomis apačioje, o po to su nuosėdinėmis uolienomis pereina į didelį geologinį ciklą. Gilumoje ištirpę fosfatai jungiasi su kalciu, sudarydami fosforitus ir apatitus. Biosferoje iš tikrųjų yra vienakryptis fosforo srautas iš žemės uolienų į vandenyno gelmes, todėl jo mainų fondas hidrosferoje yra labai ribotas.

Ryžiai. 9. Fosforo ciklas

Fosforitų ir apatitų gruntiniai telkiniai naudojami trąšų gamyboje. Fosforo patekimas į gėlą vandenį yra viena iš pagrindinių jų „žydėjimo“ priežasčių.

Sieros ciklas biosferoje

Sieros ciklas, būtinas daugelio aminorūgščių susidarymui, yra atsakingas už trijų matmenų baltymų struktūrą, o biosferoje jį palaiko daugybė bakterijų. Atskirose šio ciklo grandyse dalyvauja aerobiniai mikroorganizmai, oksiduojantys organinių liekanų sierą iki sulfatų, taip pat anaerobiniai sulfato reduktoriai, redukuojantys sulfatus į vandenilio sulfidą. Be išvardintų sieros bakterijų grupių, jos oksiduoja sieros vandenilį iki elementinės sieros, o toliau – į sulfatus. Iš dirvožemio ir vandens augalai pasisavina tik SO 2-4 jonus.

Centre esantis žiedas iliustruoja oksidacijos (O) ir redukcijos (R) procesus, kurie keičia sierą tarp turimo sulfato telkinio ir geležies sulfido telkinio giliai dirvožemyje ir nuosėdose.

Ryžiai. 10. Sieros ciklas. Centre esantis žiedas iliustruoja oksidacijos (0) ir redukcijos (R) procesus, kurie keičia sierą tarp turimo sulfato telkinio ir geležies sulfido telkinio, esančio giliai dirvožemyje ir nuosėdose.

Pagrindinis sieros kaupimasis vyksta vandenyne, kur sulfato jonai nuolat tiekiami iš sausumos su upių nuotėkiu. Kai iš vandenų išsiskiria sieros vandenilis, siera dalinai grąžinama į atmosferą, kur oksiduojama į dioksidą, lietaus vandenyje virsdama sieros rūgštimi. Pramoniškai naudojant didelius kiekius sulfatų ir elementinės sieros bei deginant iškastinį kurą į atmosferą išskiriami dideli kiekiai sieros dioksido. Tai kenkia augmenijai, gyvūnams, žmonėms ir yra rūgščių lietaus šaltinis, o tai sustiprina neigiamą žmogaus įsikišimo į sieros ciklą poveikį.

Medžiagų cirkuliacijos greitis

Visi medžiagų ciklai vyksta skirtingu greičiu (11 pav.)

Taigi visų planetos biogeninių elementų ciklus palaiko sudėtinga skirtingų dalių sąveika. Jie susidaro veikiant skirtingas funkcijas atliekančių organizmų grupių veiklai, dėl nuotėkio ir garavimo sistemos, jungiančios vandenyną ir sausumą, dėl vandens ir oro masių cirkuliacijos procesų, veikiant gravitacinėms jėgoms, litosferos plokščių tektonikai, ir kitų didelio masto geologinių ir geofizinių procesų.

Biosfera veikia kaip viena sudėtinga sistema, kurioje vyksta įvairūs medžiagų ciklai. Pagrindinis jų variklis ciklai yra gyvoji planetos medžiaga, visi gyvi organizmai, organinių medžiagų sintezės, transformacijos ir skilimo procesai.

Ryžiai. 11. Medžiagų cirkuliacijos greitis (P. Cloud, A. Jibor, 1972)

Ekologinio pasaulio požiūrio pagrindas yra mintis, kad kiekvieną gyvą būtybę supa daugybė skirtingų ją įtakojančių veiksnių, kurie kartu sudaro jos buveinę – biotopą. Vadinasi, biotopas – teritorijos gabalas, kuris pagal gyvenimo sąlygas yra vienalytis tam tikrų rūšių augalams ar gyvūnams(daubos šlaitas, miesto miško parkas, nedidelis ežeras arba didelio ežero dalis, bet su vienalytėmis sąlygomis - pakrantės dalis, giliavandenė dalis).

Konkrečiam biotopui būdingi organizmai yra gyvybės bendruomenė, arba biocenozė(ežero, pievos, pakrantės juostos gyvūnai, augalai ir mikroorganizmai).

Gyvybės bendruomenė (biocenozė) su savo biotopu sudaro vientisą visumą, kuri vadinama ekologinė sistema (ekosistema). Natūralių ekosistemų pavyzdžiu gali būti skruzdėlynas, ežeras, tvenkinys, pieva, miškas, miestas, vienkiemis. Klasikinis dirbtinės ekosistemos pavyzdys yra erdvėlaivis. Kaip matote, čia nėra griežtos erdvinės struktūros. Ekosistemos sąvokai artima yra sąvoka biogeocenozė.

Pagrindiniai ekosistemų komponentai yra šie:

• negyvoji (abiotinė) aplinka. Tai vanduo, mineralai, dujos, taip pat organinės medžiagos ir humusas;
• biotiniai komponentai. Tai apima: gamintojus arba gamintojus (žaliuosius augalus), vartotojus arba vartotojus (gyvas būtybes, kurios minta gamintojais) ir skaidytojus arba skaidytojus (mikroorganizmus).

Gamta itin ekonomiška. Taigi organizmų sukurta biomasė (organizmo kūnų substancija) ir juose esanti energija perduodama kitiems ekosistemos nariams: gyvūnai valgo augalus, šiuos gyvūnus – kiti gyvūnai. Šis procesas vadinamas maisto ar trofinės grandinės. Gamtoje mitybos grandinės dažnai susikerta, formuojantis maisto tinklą.

Maisto grandinių pavyzdžiai: augalas – žolėdis – plėšrūnas; javai – lauko pelė – lapė ir kt., o maisto tinklas parodytas pav. 12.

Taigi pusiausvyros būsena biosferoje grindžiama biotinių ir abiotinių aplinkos veiksnių sąveika, kuri palaikoma dėl nuolatinių medžiagų ir energijos mainų tarp visų ekosistemų komponentų.

Uždaruose natūralių ekosistemų cikluose kartu su kitais privalomas dviejų veiksnių dalyvavimas: skaidytojų buvimas ir nuolatinis saulės energijos tiekimas. Miesto ir dirbtinėse ekosistemose skaidytojų yra mažai arba jų visai nėra, todėl kaupiasi skystos, kietos ir dujinės atliekos, kurios teršia aplinką.

Ryžiai. 12. Maisto tinklas ir medžiagos srauto kryptis

• įvadinė pamoka nemokamai;
• Daug patyrusių mokytojų (gimtoji ir rusakalbių);
• Kursai NE konkrečiam laikotarpiui (mėnesiui, šešiems mėnesiams, metams), o tam tikram pamokų skaičiui (5, 10, 20, 50);
• Daugiau nei 10 000 patenkintų klientų.
• Vienos pamokos su rusakalbiu mokytoju kaina - nuo 600 rublių, su gimtąja kalba - nuo 1500 rublių

Medžiagų ciklas biosferoje

Savarankiškos gyvybės Žemėje pagrindas yra biogeocheminiai ciklai. Visi cheminiai elementai, naudojami organizmų gyvybės procesuose, atlieka nuolatinius judesius, iš gyvų kūnų pereina į negyvosios gamtos junginius ir atvirkščiai. Galimybė pakartotinai naudoti tuos pačius atomus gyvybę Žemėje daro praktiškai amžiną, su sąlyga, kad nuolat tiekiamas reikiamas energijos kiekis.

Medžiagų ciklų tipai.Žemės biosferai tam tikru būdu būdinga esama medžiagų cirkuliacija ir energijos srautas. Medžiagų cirkuliacija – daugkartinis medžiagų dalyvavimas procesuose, vykstančiuose atmosferoje, hidrosferoje ir litosferoje, įskaitant sluoksnius, kurie yra Žemės biosferos dalis. Medžiagų cirkuliacija vykdoma nenutrūkstamu išorinės Saulės energijos ir vidinės Žemės energijos srautu (tekėjimu).

Priklausomai nuo varomosios jėgos, su tam tikru susitarimo laipsniu medžiagų apykaitos viduje, galima išskirti geologinius, biologinius ir antropogeninius ciklus. Prieš atsirandant žmogui Žemėje, buvo atlikti tik pirmieji du.

Geologinis ciklas (didelė medžiagų cirkuliacija gamtoje) – medžiagų apykaita, kurios varomoji jėga yra egzogeniniai ir endogeniniai geologiniai procesai.

Endogeniniai procesai(vidinės dinamikos procesai) vyksta veikiant vidinei Žemės energijai. Tai energija, išsiskirianti dėl radioaktyvaus skilimo, cheminių mineralų susidarymo reakcijų, uolienų kristalizacijos ir kt. Endogeniniams procesams priklauso: tektoniniai judėjimai, žemės drebėjimai, magmatizmas, metamorfizmas. Egzogeniniai procesai(išorinės dinamikos procesai) vyksta veikiant išorinei Saulės energijai. Egzogeniniai procesai apima uolienų ir mineralų dūlėjimą, naikinimo produktų pašalinimą iš kai kurių žemės plutos sričių ir jų perkėlimą į naujas sritis, naikinimo produktų nusėdimą ir kaupimąsi, kai susidaro nuosėdinės uolienos. Egzogeniniai procesai apima geologinį atmosferos, hidrosferos (upių, laikinų upelių, požeminio vandens, jūrų ir vandenynų, ežerų ir pelkių, ledo), taip pat gyvų organizmų ir žmonių geologinį aktyvumą.

Didžiausios reljefo formos (žemynai ir vandenynų įdubos) ir stambios reljefo formos (kalnai ir lygumos) susidarė dėl endogeninių procesų, o vidutinės ir mažos reljefo formos (upių slėniai, kalvos, daubos, kopos ir kt.), išsidėsčiusios ant didesnių reljefo formų, - per egzogeniniai procesai. Taigi, endogeniniai ir egzogeniniai procesai savo veikloje yra priešingi. Pirmieji lemia didelių reljefo formų susidarymą, antrieji – jų išlyginimą.

Magminės uolienos dėl oro sąlygų virsta nuosėdinėmis uolienomis. Judančiose žemės plutos zonose jie pasineria giliai į Žemę. Ten, veikiant aukštai temperatūrai ir slėgiui, jie pertirpsta ir susidaro magma, kuri, iškilusi į paviršių ir kietėjanti, suformuoja magmines uolienas.

Taigi geologinė medžiagų cirkuliacija vyksta nedalyvaujant gyviems organizmams ir perskirsto medžiagą tarp biosferos ir gilesnių Žemės sluoksnių.

Biologinis (biogeocheminis) ciklas (mažas medžiagų ciklas biosferoje) – medžiagų ciklas, kurio varomoji jėga yra gyvų organizmų veikla. Priešingai nei didelis geologinis ciklas, mažas biogeocheminis medžiagų ciklas vyksta biosferoje. Pagrindinis ciklo energijos šaltinis yra saulės spinduliuotė, kuri generuoja fotosintezę. Ekosistemoje organines medžiagas sintetina autotrofai iš neorganinių medžiagų. Tada juos sunaudoja heterotrofai. Dėl išskyrimo gyvybės metu arba po organizmų (tiek autotrofų, tiek heterotrofų) mirties organinės medžiagos mineralizuojasi, tai yra virsta neorganinėmis medžiagomis. Šios neorganinės medžiagos gali būti pakartotinai panaudotos organinių medžiagų sintezei naudojant autotrofus.

Biogeocheminiuose cikluose reikėtų išskirti dvi dalis:

1) rezervinis fondas - tai su gyvais organizmais nesusijusios medžiagos dalis;

2) mainų fondas - daug mažesnė medžiagos dalis, kuria tiesiogiai keičiasi organizmai ir jų artimiausia aplinka. Priklausomai nuo rezervinio fondo vietos, biogeocheminius ciklus galima suskirstyti į du tipus:

1) Dujų tipo ciklai su atsarginiu medžiagų fondu atmosferoje ir hidrosferoje (anglies, deguonies, azoto ciklai).

2) Nuosėdų žiedai su rezerviniu fondu žemės plutoje (fosforo, kalcio, geležies ir kt. cirkuliacija).

Dujų tipo ciklai yra tobulesni, nes turi didelį mainų fondą, o tai reiškia, kad jie gali greitai susireguliuoti. Nuosėdų ciklai yra ne tokie tobuli, jie yra inertiškesni, nes didžioji medžiagos dalis yra žemės plutos rezerviniame fonde gyviems organizmams „neprieinama“ forma. Tokie ciklai lengvai sutrikdomi įvairių poveikių, o dalis keičiamos medžiagos palieka ciklą. Jis vėl gali grįžti į apyvartą tik dėl geologinių procesų arba išgaunant gyvąją medžiagą. Tačiau gyviems organizmams reikalingas medžiagas išgauti iš žemės plutos yra daug sunkiau nei iš atmosferos.

Biologinio ciklo intensyvumą pirmiausia lemia aplinkos temperatūra ir vandens kiekis. Taigi, pavyzdžiui, drėgnuose atogrąžų miškuose biologinis ciklas vyksta intensyviau nei tundroje.

Atsiradus žmogui, atsirado antropogeninė medžiagų apykaita arba medžiagų apykaita. Antropogeninis ciklas (mainai) – medžiagų, kurių varomoji jėga yra žmogaus veikla, cirkuliacija (mainai). Jį sudaro du komponentai: biologinis, susijęs su žmogaus, kaip gyvo organizmo, veikimu, ir techninis, susiję su žmonių ūkine veikla (technogeninis ciklas).

Geologinis ir biologinis ciklai iš esmės yra uždari, ko negalima pasakyti apie antropogeninį ciklą. Todėl jie dažnai kalba ne apie antropogeninį ciklą, o apie antropogeninę medžiagų apykaitą. Antropogeninės medžiagų apykaitos atvirumas lemia gamtos išteklių išeikvojimas ir aplinkos tarša – pagrindinės visų žmonijos aplinkos problemų priežastys.

Pagrindinių biogeninių medžiagų ir elementų ciklai. Apsvarstykite svarbiausių gyviems organizmams medžiagų ir elementų ciklus. Vandens ciklas priklauso dideliems geologiniams, o biogeninių elementų (anglies, deguonies, azoto, fosforo, sieros ir kitų biogeninių elementų) ciklai - mažiesiems biogeocheminiams.

Vandens ciklas tarp sausumos ir vandenyno per atmosferą reiškia didelį geologinį ciklą. Vanduo išgaruoja nuo vandenynų paviršiaus ir perkeliamas į sausumą, kur iškrenta kritulių pavidalu, kurie vėl grįžta į vandenyną paviršinio ir požeminio nuotėkio pavidalu, arba kritulių pavidalu nukrenta į vandens paviršių. vandenynas. Kasmet Žemės vandens cikle dalyvauja daugiau nei 500 tūkstančių km3 vandens. Vandens ciklas kaip visuma vaidina svarbų vaidmenį formuojant gamtines sąlygas mūsų planetoje. Atsižvelgiant į augalų transpiraciją ir jo įsisavinimą biogeocheminiame cikle, visas vandens tiekimas Žemėje suyra ir atsistato per 2 mln.

Anglies ciklas. Gamintojai surenka anglies dioksidą iš atmosferos ir paverčia jį organinėmis medžiagomis, vartotojai sugeria anglį organinių medžiagų pavidalu su gamintojų ir žemesnės eilės vartotojų organizmais, skaidytojai mineralizuoja organines medžiagas ir grąžina anglį į atmosferą anglies dioksido pavidalu. . Vandenynuose anglies ciklą apsunkina tai, kad dalis anglies, esančios negyvuose organizmuose, nugrimzta į dugną ir kaupiasi nuosėdinėse uolienose. Ši anglies dalis pašalinama iš biologinio ciklo ir patenka į geologinį medžiagų ciklą.

Miškai yra pagrindinis biologiškai surištos anglies rezervuaras, juose yra iki 500 milijardų tonų šio elemento, o tai sudaro 2/3 jo atsargų atmosferoje. Žmogaus įsikišimas į anglies ciklą (anglies, naftos, dujų deginimas, sausinimas) padidina CO2 kiekį atmosferoje ir sukelia šiltnamio efektą.

CO2 ciklo greitis, ty laikas, per kurį visas atmosferoje esantis anglies dioksidas praeina per gyvąją medžiagą, yra apie 300 metų.

Deguonies ciklas. Deguonies ciklas daugiausia vyksta tarp atmosferos ir gyvų organizmų. Iš esmės laisvasis deguonis (0^) patenka į atmosferą dėl žalių augalų fotosintezės ir yra suvartojamas gyvūnų, augalų ir mikroorganizmų kvėpavimo procese bei organinių likučių mineralizacijos metu. Nedidelis deguonies kiekis susidaro iš vandens ir ozono veikiant ultravioletinei spinduliuotei. Didelis deguonies kiekis išeikvojamas oksidaciniams procesams žemės plutoje, ugnikalnių išsiveržimų metu ir kt. Didžiąją dalį deguonies gamina sausumos augalai – beveik 3/4, likusią dalį – fotosintetiniai vandenynų organizmai. Ciklo greitis yra apie 2 tūkstančius metų.

Nustatyta, kad 23% deguonies, susidarančio fotosintezės procese, kasmet suvartojama pramonės ir buities reikmėms, ir šis skaičius nuolat didėja.

Azoto ciklas. Azoto (N2) atsargos atmosferoje yra didžiulės (78% jo tūrio). Tačiau augalai negali pasisavinti laisvo azoto, o tik surišto pavidalo, daugiausia NH4+ arba NO3– pavidalu. Laisvąjį azotą iš atmosferos suriša azotą fiksuojančios bakterijos ir paverčia augalams prieinamomis formomis. Augaluose azotas fiksuojamas organinėse medžiagose (baltymuose, nukleorūgštyse ir kt.) ir pernešamas maisto grandinėmis. Po gyvų organizmų mirties skaidytojai mineralizuoja organines medžiagas ir paverčia jas amonio junginiais, nitratais, nitritais, taip pat laisvuoju azotu, kuris grąžinamas į atmosferą.

Nitratai ir nitritai labai gerai tirpsta vandenyje ir gali migruoti į požeminį vandenį bei augalus ir būti pernešti maisto grandinėmis. Jei jų kiekis yra per didelis, o tai dažnai pastebima netinkamai naudojant azotines trąšas, vanduo ir maistas yra užteršti ir sukelia žmonių ligas.

Fosforo ciklas. Didžioji dalis fosforo yra uolienose, susidariusiose ankstesnėse geologinėse epochose. Fosforas yra įtrauktas į biogeocheminį ciklą dėl uolienų oro sąlygų. Sausumos ekosistemose augalai iš dirvožemio išgauna fosforą (daugiausia PO43– pavidalu) ir įtraukia į organinius junginius (baltymus, nukleorūgštis, fosfolipidus ir kt.) arba palieka neorganiniu pavidalu. Be to, fosforas perduodamas maisto grandinėmis. Po gyvų organizmų mirties ir su jų išskyromis fosforas grįžta į dirvą.

Netinkamai naudojant fosforo trąšas, dirvų vandens ir vėjo eroziją, iš dirvos pasišalina dideli fosforo kiekiai. Viena vertus, tai lemia per didelį fosforo trąšų vartojimą ir fosforo turinčių rūdų (fosforitų, apatitų ir kt.) atsargų išeikvojimą. Kita vertus, dideliems biogeninių elementų, tokių kaip fosforas, azotas, siera ir kt., patekimas iš dirvožemio į vandens telkinius, sukelia greitą melsvadumblių ir kitų vandens augalų vystymąsi (vandens „žydėjimą“), eutrofikacija rezervuarai. Tačiau didžioji dalis fosforo nunešama į jūrą.

Vandens ekosistemose fosforą pasisavina fitoplanktonas ir per mitybos grandinę perduoda jūros paukščiams. Jų ekskrementai arba iš karto nukrenta atgal į jūrą, arba pirmiausia kaupiasi krante, o paskui vis tiek išplaunami į jūrą. Iš mirštančių jūros gyvūnų, ypač žuvų, fosforas vėl patenka į jūrą ir į ciklą, tačiau kai kurie žuvų skeletai pasiekia didelį gylį, o juose esantis fosforas vėl patenka į nuosėdines uolienas, tai yra, jis yra išjungtas nuo biogeochemijos. ciklas.

Sieros ciklas. Pagrindinis sieros rezervinis fondas randamas nuosėdose ir dirvožemyje, tačiau skirtingai nuo fosforo, atmosferoje yra rezervinis fondas. Pagrindinis vaidmuo sieros įtraukime į biogeocheminį ciklą priklauso mikroorganizmams. Vieni iš jų yra reduktoriai, kiti – oksidatoriai.

Uolienose siera būna sulfidų pavidalu (FeS2 ir kt.), tirpaluose - jonų (SO42–), dujinėje fazėje – vandenilio sulfido (H2S) arba sieros dioksido (SO2) pavidalu. . Kai kuriuose organizmuose siera kaupiasi gryna forma, o kai jie miršta, jūrų dugne susidaro vietinės sieros nuosėdos.

Sausumos ekosistemose siera į augalus patenka iš dirvožemio daugiausia sulfatų pavidalu. Gyvuose organizmuose siera randama baltymuose, jonų pavidalu ir kt. Po gyvų organizmų mirties dalis sieros mikroorganizmų atkuriama dirvožemyje į H2S, kita dalis oksiduojama iki sulfatų ir vėl įtraukiama į ciklą. Susidaręs vandenilio sulfidas patenka į atmosferą, ten oksiduojasi ir su krituliais grįžta į dirvą.

Žmonėms deginant iškastinį kurą (ypač anglį), taip pat dėl ​​chemijos pramonės išmetamų teršalų, atmosferoje kaupiasi sieros dioksidas (SO2), kuris, reaguodamas su vandens garais, rūgščiojo lietaus pavidalu nukrenta ant žemės. .

Biogeocheminiai ciklai nėra tokie dideli kaip geologiniai ciklai ir jiems daugiausia įtakos turi žmonės. Ekonominė veikla pažeidžia jų izoliaciją, jie tampa acikliniai.

1 klausimas. Kokia yra pagrindinė biosferos funkcija?

Pagrindinė biosferos funkcija – užtikrinti cheminių elementų cirkuliaciją, kuri išreiškiama medžiagų cirkuliacija tarp atmosferos, dirvožemio, hidrosferos ir gyvų organizmų.

2 klausimas. Papasakokite apie vandens ciklą gamtoje.

Vanduo išgaruoja ir oro srovėmis nunešamas dideliais atstumais. Kritulių pavidalu nukritęs ant žemės paviršiaus, jis prisideda prie uolienų naikinimo, daro jas prieinamas augalams ir mikroorganizmams, ardo viršutinį dirvožemio sluoksnį ir kartu su jame ištirpusiomis cheminėmis medžiagomis ir suspenduotomis organinėmis dalelėmis patenka į jūras ir vandenynus. . Vandens cirkuliacija tarp vandenyno ir sausumos yra esminė grandis palaikant gyvybę Žemėje.

3 klausimas. Ar gyvi organizmai dalyvauja vandens cikle? Jei taip, užpildykite diagramą, parodytą 113 paveiksle, nurodydami gyvų organizmų dalyvavimą cikle.

Augalai vandens cikle dalyvauja dviem būdais: išgauna jį iš dirvožemio ir išgarina į atmosferą; Dalis vandens augalų ląstelėse suyra fotosintezės metu. Šiuo atveju vandenilis fiksuojamas organinių junginių pavidalu, o deguonis patenka į atmosferą.

Gyvūnai vartoja vandenį, kad palaikytų osmosinį ir druskų balansą organizme ir kartu su medžiagų apykaitos produktais patektų į išorinę aplinką.

4 klausimas. Kokie organizmai sugeria anglies dioksidą iš atmosferos?

Fotosintezės procese žalieji augalai naudoja anglies dvideginį ir vandenilį iš vandens organiniams junginiams sintetinti, o išsiskyręs deguonis patenka į atmosferą.

5 klausimas. Kaip fiksuota anglis grąžinama į atmosferą?

Įvairūs gyvūnai ir augalai kvėpuoja deguonimi, o galutinis kvėpavimo produktas CO2 išsiskiria į atmosferą.

6 klausimas. Nubraižykite azoto ciklo gamtoje schemą.

7 klausimas. Pagalvokite ir pateikite pavyzdžių, kaip mikroorganizmai atlieka svarbų vaidmenį sieros cikle.

Sieros junginius su metalais, esančius giliai dirvožemyje ir jūros nuosėdinėse uolienose – sulfidus – mikroorganizmai paverčia prieinama forma – sulfatais, kuriuos pasisavina augalai. Bakterijų pagalba atliekamos atskiros oksidacijos-redukcijos reakcijos. Giliai esantys sulfatai redukuojami iki H2S, kuris pakyla ir aerobinių bakterijų oksiduojamas iki sulfatų. Gyvūnų ar augalų lavonų irimas užtikrina sieros sugrįžimą į ciklą.

8 klausimas. Kiekvieno žmogaus racione turi būti žuvies patiekalų. Paaiškinkite, kodėl tai svarbu.

Maždaug 60 000 tonų elementinio fosforo grąžinama į sausumą kartu su sugauta žuvimi. 70% viso fosforo, esančio mūsų organizme, yra susikaupę kauluose ir dantyse. Kartu su kalciu jis formuoja teisingą kaulų struktūrą ir užtikrina jų mechaninį stiprumą. Idealus fosforo ir kalcio santykis laikomas 1:2 arba 3:4. O jei jie, tarkime, lygūs, tai kaulas, palaipsniui netekdamas kalcio, taps kietas, bet trapus, kaip stiklas, iš pirmo žvilgsnio jis. yra gana sunkus, nors tuo pat metu jį lengva sulaužyti.

Fosforas yra pagrindinis energijos nešėjas, jis yra adenozino trifosfato (sutrumpintai ATP) dalis, kuris absorbuojamas į kraują ir tiekia energiją visoms ląstelėms, kurioms jos reikia.

9 klausimas. Klasėje aptarkite, kaip pasikeistų medžiagų ciklas gamtoje, jei planetoje išnyktų visi gyvi organizmai.

Medžiagų cirkuliacijoje dalyvauja visi gyvi organizmai, kai kurias medžiagas pasisavindami iš išorinės aplinkos, o kitas išleisdami į ją. Taigi augalai suvartoja anglies dvideginį, vandenį ir mineralines druskas iš išorinės aplinkos ir išskiria į ją deguonį. Gyvūnai įkvepia augalų išskiriamą deguonį, o juos valgydami pasisavina iš vandens ir anglies dvideginio susintetintas organines medžiagas ir iš nesuvirškintos maisto dalies išskiria anglies dvideginį, vandenį bei medžiagas. Negyvus augalus ir gyvūnus skaidant bakterijoms ir grybams susidaro papildomas anglies dvideginio kiekis, o organinės medžiagos virsta mineralinėmis medžiagomis, kurios patenka į dirvą ir vėl jas pasisavina augalai. Taigi pagrindinių cheminių elementų atomai nuolat migruoja iš vieno organizmo į kitą, iš dirvožemio, atmosferos ir hidrosferos į gyvus organizmus, o iš jų – į aplinką, taip papildydami negyvąją biosferos substanciją. Šie procesai kartojami be galo daug kartų. Taigi, pavyzdžiui, visas atmosferos deguonis per gyvąją medžiagą praeina per 2 tūkstančius metų, visas anglies dioksidas – per 200–300 metų.

Nuolatinė cheminių elementų cirkuliacija biosferoje daugiau ar mažiau uždarais keliais vadinama biogeocheminiu ciklu. Tokios apyvartos poreikis paaiškinamas ribotu jų atsargų prieinamumu planetoje. Kad būtų užtikrinta gyvybės begalybė, cheminiai elementai turi judėti ratu. Išnykus gyviems organizmams, sutriktų medžiagų ir energijos cirkuliacija, o dėl to žūtų biosfera.