Στη βιόσφαιρα, όπως σε κάθε οικοσύστημα, υπάρχει ένας σταθερός κύκλος άνθρακα, αζώτου, υδρογόνου, οξυγόνου, φωσφόρου, θείου και άλλων ουσιών.
Το διοξείδιο του άνθρακα απορροφάται από τα φυτά και τους παραγωγούς και, μέσω της διαδικασίας της φωτοσύνθεσης, μετατρέπεται σε υδατάνθρακες, πρωτεΐνες, λιπίδια και άλλες οργανικές ενώσεις. Αυτές οι ουσίες χρησιμοποιούνται στα τρόφιμα από τους ζωικούς καταναλωτές.
Ταυτόχρονα, η αντίστροφη διαδικασία συμβαίνει στη φύση. Όλοι οι ζωντανοί οργανισμοί αναπνέουν, απελευθερώνοντας CO 2, το οποίο εισέρχεται στην ατμόσφαιρα. Τα νεκρά υπολείμματα φυτών και ζώων και τα περιττώματα των ζώων αποσυντίθενται από μικροοργανισμούς αποσύνθεσης. CO 2 απελευθερώνεται στην ατμόσφαιρα. Κάποιος άνθρακας συσσωρεύεται στο έδαφος με τη μορφή οργανικών ενώσεων.
Κατά τη διάρκεια του κύκλου του άνθρακα στη βιόσφαιρα, σχηματίζονται ενεργειακοί πόροι: πετρέλαιο, άνθρακας, εύφλεκτα αέρια, τύρφη και ξύλο.
Όταν τα φυτά και τα ζώα αποσυντίθενται, απελευθερώνεται άζωτο με τη μορφή αμμωνίας. Τα νιτροποιητικά βακτήρια μετατρέπουν την αμμωνία σε άλατα νιτρώδους και νιτρικού οξέος, τα οποία απορροφώνται από τα φυτά. Ορισμένα βακτήρια που δεσμεύουν το άζωτο είναι ικανά να αφομοιώσουν το ατμοσφαιρικό άζωτο. Αυτό κλείνει τον κύκλο του αζώτου στη φύση.
Ως αποτέλεσμα του κύκλου των ουσιών στη βιόσφαιρα, εμφανίζεται μια συνεχής βιογενής μετανάστευση στοιχείων: τα χημικά στοιχεία που είναι απαραίτητα για τη ζωή των φυτών και των ζώων περνούν από το περιβάλλον στο σώμα· όταν οι οργανισμοί αποσυντίθενται, αυτά τα στοιχεία επιστρέφουν ξανά στο περιβάλλον, από όπου εισέρχονται στο σώμα.
Η βάση της βιόσφαιρας είναι ο κύκλος της οργανικής ύλης, ο οποίος λαμβάνει χώρα με τη συμμετοχή όλων των οργανισμών που κατοικούν στη βιόσφαιρα και ονομάζεται βιοτικός κύκλος.
Οι νόμοι του βιοτικού κύκλου περιέχουν τη βάση για τη μακροπρόθεσμη ύπαρξη και ανάπτυξη της ζωής στη Γη.
Ο άνθρωπος είναι στοιχείο της βιόσφαιρας και, ως αναπόσπαστο μέρος της βιομάζας της Γης, σε όλη την εξέλιξη ήταν και είναι άμεσα εξαρτημένος από τη γύρω φύση.
Με την ανάπτυξη ανώτερης νευρικής δραστηριότητας, ο ίδιος ο άνθρωπος γίνεται ισχυρός περιβαλλοντικός παράγοντας (ανθρωπογόνος παράγοντας) στην περαιτέρω εξέλιξη στη Γη.
Η ανθρώπινη επίδραση στη φύση είναι διπλή - θετική και αρνητική. Η ανθρώπινη δραστηριότητα συχνά οδηγεί σε διατάραξη των φυσικών νόμων.
Το μερίδιο της μάζας της ανθρωπότητας στη βιόσφαιρα είναι μικρό, αλλά η δραστηριότητά της είναι τεράστια· προς το παρόν έχει γίνει μια δύναμη που αλλάζει τις διαδικασίες στη βιόσφαιρα.
Ο V.I. Vernadsky ισχυρίζεται ότι η βιόσφαιρα θα μεταμορφωθεί φυσικά σε νοόσφαιρα (από το γρ. «noos» - μυαλό» + γρ. «σφαίρα» - μπάλα).
Σύμφωνα με τον V.I. Vernadsky, η νοόσφαιρα είναι μια βιόσφαιρα που μετασχηματίζεται από την ανθρώπινη εργασία και έχει αλλάξει από την επιστημονική σκέψη.
Επί του παρόντος, έχει έρθει μια περίοδος που ένα άτομο πρέπει να προγραμματίσει τις οικονομικές του δραστηριότητες έτσι ώστε να μην παραβιάζει τα καθιερωμένα πρότυπα στο γιγάντιο οικοσύστημα που είναι η βιόσφαιρα και να μην συμβάλλει στη μείωση της βιομάζας.
Η δραστηριότητα των ζωντανών οργανισμών στη βιόσφαιρα συνοδεύεται από την εξόρυξη μεγάλων ποσοτήτων ορυκτών από το περιβάλλον. Μετά το θάνατο των οργανισμών, τα χημικά στοιχεία που τους αποτελούν επιστρέφουν στο περιβάλλον. Έτσι προκύπτει ο βιογενής (με τη συμμετοχή ζωντανών οργανισμών) κύκλος ουσιών στη φύση, δηλαδή η κυκλοφορία των ουσιών μεταξύ της λιθόσφαιρας, της ατμόσφαιρας, της υδρόσφαιρας και των ζωντανών οργανισμών. Ο κύκλος των ουσιών νοείται ως μια επαναλαμβανόμενη διαδικασία μετασχηματισμού και κίνησης ουσιών στη φύση, η οποία έχει περισσότερο ή λιγότερο έντονη κυκλική φύση.
Όλοι οι ζωντανοί οργανισμοί συμμετέχουν στον κύκλο των ουσιών, απορροφώντας κάποιες ουσίες από το εξωτερικό περιβάλλον και απελευθερώνοντας άλλες σε αυτό. Έτσι, τα φυτά καταναλώνουν διοξείδιο του άνθρακα, νερό και μεταλλικά άλατα από το εξωτερικό περιβάλλον και απελευθερώνουν οξυγόνο σε αυτό. Τα ζώα εισπνέουν το οξυγόνο που απελευθερώνεται από τα φυτά και τρώγοντας τα αφομοιώνουν οργανικές ουσίες που συντίθενται από το νερό και το διοξείδιο του άνθρακα και απελευθερώνουν διοξείδιο του άνθρακα, νερό και ουσίες από το άπεπτο μέρος της τροφής. Όταν τα βακτήρια και οι μύκητες αποσυντίθενται νεκρά φυτά και ζώα, σχηματίζονται επιπλέον ποσότητες διοξειδίου του άνθρακα και οι οργανικές ουσίες μετατρέπονται σε μέταλλα, τα οποία εισέρχονται στο έδαφος και απορροφώνται ξανά από τα φυτά. Έτσι, τα άτομα των βασικών χημικών στοιχείων μεταναστεύουν συνεχώς από τον έναν οργανισμό στον άλλο, από το έδαφος, την ατμόσφαιρα και την υδρόσφαιρα - σε ζωντανούς οργανισμούς και από αυτούς - στο περιβάλλον, αναπληρώνοντας έτσι την άψυχη ύλη της βιόσφαιρας. Αυτές οι διαδικασίες επαναλαμβάνονται άπειρες φορές. Έτσι, για παράδειγμα, όλο το ατμοσφαιρικό οξυγόνο περνά μέσα από τη ζωντανή ύλη σε 2 χιλιάδες χρόνια, όλο το διοξείδιο του άνθρακα - σε 200-300 χρόνια.
Η συνεχής κυκλοφορία χημικών στοιχείων στη βιόσφαιρα κατά μήκος περισσότερο ή λιγότερο κλειστών μονοπατιών ονομάζεται βιογεωχημικός κύκλος. Η ανάγκη για τέτοια κυκλοφορία εξηγείται από την περιορισμένη προσφορά τους στον πλανήτη. Για να εξασφαλιστεί το άπειρο της ζωής, τα χημικά στοιχεία πρέπει να κινούνται σε κύκλο. Ο κύκλος κάθε χημικού στοιχείου είναι μέρος του συνολικού μεγάλου κύκλου των ουσιών στη Γη, δηλαδή όλοι οι κύκλοι είναι στενά συνδεδεμένοι.
Ο κύκλος των ουσιών, όπως όλες οι διεργασίες που συμβαίνουν στη φύση, απαιτεί μια συνεχή ροή ενέργειας. Η βάση του βιογενικού κύκλου που διασφαλίζει την ύπαρξη ζωής είναι η ηλιακή ενέργεια. Η ενέργεια που δεσμεύεται σε οργανικές ουσίες στα στάδια της τροφικής αλυσίδας μειώνεται, επειδή το μεγαλύτερο μέρος της εισέρχεται στο περιβάλλον με τη μορφή θερμότητας ή δαπανάται σε διεργασίες που συμβαίνουν στους οργανισμούς, επομένως, παρατηρείται ροή ενέργειας και ο μετασχηματισμός της στη βιόσφαιρα. . Έτσι, η βιόσφαιρα μπορεί να είναι σταθερή μόνο εάν υπάρχει σταθερός κύκλος ουσιών και εισροή ηλιακής ενέργειας.
Γνωρίζουμε ότι ο άνθρακας, το άζωτο, το υδρογόνο, το οξυγόνο, ο φώσφορος και το θείο σχηματίζουν ζωντανούς οργανισμούς. Ωστόσο, αυτοί οι οργανισμοί δεν μπορούν να ζήσουν χωρίς επαρκείς ποσότητες πολλών άλλων στοιχείων - κατιόντων μετάλλων.
Μεταξύ αυτών, το κάλιο, το ασβέστιο, το μαγνήσιο (μερικές φορές νάτριο) ανήκουν στην ομάδα των μακροστοιχείων, καθώς χρειάζονται σε μεγάλες ποσότητες (εκφρασμένες σε εκατοστά ξηράς ουσίας). Ωστόσο, στοιχεία όπως ο σίδηρος, το βόριο, ο ψευδάργυρος, ο χαλκός, το μαγγάνιο, το μολυβδαίνιο, το κοβάλτιο, το ανιόν χλωρίου είναι μικροστοιχεία και χρειάζονται μόνο σε μικρές ποσότητες (εκφρασμένες σε μέρη ανά εκατομμύριο ξηρής ουσίας).
Στην ξηρά, η κύρια πηγή βιογενών στοιχείων (κατιόντων) είναι το έδαφος, το οποίο τα δέχεται κατά την καταστροφή των μητρικών πετρωμάτων. Τα κατιόντα απορροφώνται από τις ρίζες, κατανέμονται από διάφορα φυτικά όργανα και συσσωρεύονται στο φύλλωμα, δηλ. περιλαμβάνονται στα τρόφιμα φυτοφάγων καταναλωτών μεταγενέστερων παραγγελιών στην τροφική αλυσίδα.
Η ανοργανοποίηση των νεκρών οργανισμών επιστρέφει βιογονικά κατιόντα στο έδαφος, δημιουργώντας την εντύπωση ότι ο κύκλος μπορεί να συνεχιστεί αδιάκοπα. Ωστόσο, το έδαφος εκπλένεται από τη βροχή· το νερό της βροχής μεταφέρει κατιόντα στο υπόγειο σύστημα αποστράγγισης, καθώς και στην επιφανειακή απορροή: σε ποτάμια, θάλασσες, μερικές φορές σε σημαντικές ποσότητες.
Η έκπλυση είναι μια αυτοκαταλυτική διαδικασία: όσο περισσότερο προχωρά, τόσο περισσότερο αποικοδομούνται τα κολλοειδή του εδάφους. Η κατάσταση γίνεται ιδιαίτερα δύσκολη στις τροπικές περιοχές: έντονες βροχοπτώσεις, χαμηλή απορροφητικότητα του εδαφικού συμπλέγματος (μικρή ποσότητα χούμου), εξάντληση των εδαφών από μονοκαλλιέργειες ζαχαροκάλαμου, καφέ, κακάο, καλαμποκιού και φιστικιών.
Όταν τα δάση κόβονται ή καίγονται για τη γεωργία, η παροχή θρεπτικών συστατικών που ανοργανοποιούνται με αυτόν τον τρόπο ξεπλένεται γρήγορα από τη βροχή και το έδαφος χάνει τη γονιμότητά του. Εάν οι καλλιέργειες σταματήσουν προσωρινά σε αυτό, τότε μπορεί να δώσει ξανά ζωή σε ένα δάσος, αλλά ένα δευτερεύον, με λιγότερη βιομάζα από αυτή της αρχικής κοινότητας. Μετά την επανάληψη τέτοιων εργασιών, το έδαφος θα καλυφθεί με ολοένα και πιο αραιή βλάστηση με μείωση της παραγωγής βιομάζας. Πρώτα σχηματίζεται μια σαβάνα, μετά μια στέπα και τέλος μια έρημος. Αυτό σημαίνει ότι ο κύκλος των ανόργανων κατιόντων συνοδεύει τους κύκλους του άνθρακα και του αζώτου. Σε εύκρατα γεωγραφικά πλάτη, οι συνέπειες της έκπλυσης δεν είναι τόσο δραστικές, αλλά παρόλα αυτά, ως αποτέλεσμα της κοπής (εντελώς στη ρίζα), κατά το ξερίζωμα των πρέμνων και την αφαίρεση του χλοοτάπητα, ο χούμος καταστρέφεται - ένας θρεπτικός πόρος. Κατά συνέπεια, διαταράσσεται ο κύκλος και η πληρότητά του: η μετάβαση σε έρημο ή λιβάδι, με αραιή βλάστηση και μικρότερη παροχή βιομάζας.
Βιογεωχημικοί κύκλοι
Τα χημικά στοιχεία που αποτελούν τα έμβια όντα συνήθως κυκλοφορούν στη βιόσφαιρα κατά μήκος χαρακτηριστικών μονοπατιών: από το εξωτερικό περιβάλλον στους οργανισμούς και ξανά στο εξωτερικό περιβάλλον. Η βιογενής μετανάστευση χαρακτηρίζεται από τη συσσώρευση χημικών στοιχείων στους οργανισμούς (συσσώρευση) και την απελευθέρωσή τους ως αποτέλεσμα της ανοργανοποίησης της νεκρής βιομάζας (detritus). Τέτοιες οδοί κυκλοφορίας χημικών ουσιών (σε μεγαλύτερο ή μικρότερο βαθμό κλειστές), που ρέουν χρησιμοποιώντας ηλιακή ενέργεια μέσω φυτικών και ζωικών οργανισμών, ονομάζονται βιογεωχημικοί κύκλοι (bio αναφέρεται σε ζωντανούς οργανισμούς και geo αναφέρεται στο έδαφος, στον αέρα, στο νερό στην επιφάνεια της γης ).
Υπάρχουν κύκλοι αερίου με δεξαμενές ανόργανων ενώσεων στην ατμόσφαιρα ή τους ωκεανούς (N2, O2, CO2, H2O) και κύκλοι ιζηματογενούς τύπου με λιγότερο εκτεταμένες δεξαμενές στο φλοιό της γης (P, Ca, Fe).
Τα στοιχεία που είναι απαραίτητα για τη ζωή και τα διαλυμένα άλατα ονομάζονται συμβατικά βιογονικά στοιχεία (ζωοδόχοι) ή θρεπτικά συστατικά. Μεταξύ των βιογενών στοιχείων, διακρίνονται δύο ομάδες: οι μακροτροφικές ουσίες και οι μικροτροφικές ουσίες.
Τα πρώτα καλύπτουν τα στοιχεία που αποτελούν τη χημική βάση των ιστών των ζωντανών οργανισμών. Αυτά περιλαμβάνουν: άνθρακα, υδρογόνο, οξυγόνο, άζωτο, φώσφορο, κάλιο, ασβέστιο, μαγνήσιο, θείο.
Τα τελευταία περιλαμβάνουν στοιχεία και τις ενώσεις τους, επίσης απαραίτητα για την ύπαρξη ζωντανών συστημάτων, αλλά σε εξαιρετικά μικρές ποσότητες. Τέτοιες ουσίες ονομάζονται συχνά μικροστοιχεία. Αυτά είναι ο σίδηρος, το μαγγάνιο, ο χαλκός, ο ψευδάργυρος, το βόριο, το νάτριο, το μολυβδαίνιο, το χλώριο, το βανάδιο και το κοβάλτιο. Αν και τα μικροτροφικά στοιχεία είναι απαραίτητα για τους οργανισμούς σε πολύ μικρές ποσότητες, η έλλειψή τους μπορεί να περιορίσει σοβαρά την παραγωγικότητα, όπως και η έλλειψη θρεπτικών συστατικών.
Η κυκλοφορία των θρεπτικών συστατικών συνήθως συνοδεύεται από χημικούς μετασχηματισμούς τους. Το νιτρικό άζωτο, για παράδειγμα, μπορεί να μετατραπεί σε πρωτεϊνικό άζωτο, στη συνέχεια να μετατραπεί σε ουρία, να μετατραπεί σε αμμωνία και να συντεθεί ξανά σε νιτρική μορφή υπό την επίδραση μικροοργανισμών. Διάφοροι μηχανισμοί, βιολογικοί και χημικοί, εμπλέκονται στις διαδικασίες απονιτροποίησης και δέσμευσης αζώτου.
Σε αντίθεση με το άζωτο και τον άνθρακα, η δεξαμενή του φωσφόρου βρίσκεται σε πετρώματα που υφίστανται διάβρωση και απελευθερώνουν φωσφορικά άλατα στα οικοσυστήματα. Τα περισσότερα από αυτά καταλήγουν στη θάλασσα και μερικά μπορούν να επιστραφούν ξανά στη στεριά μέσω θαλάσσιων τροφικών αλυσίδων που καταλήγουν σε ψαροφάγα πουλιά (σχηματισμός γουανό). Η απορρόφηση του φωσφόρου από τα φυτά εξαρτάται από την οξύτητα του εδαφικού διαλύματος: καθώς αυξάνεται η οξύτητα, τα πρακτικά αδιάλυτα φωσφορικά άλατα στο νερό μετατρέπονται σε πολύ διαλυτό φωσφορικό οξύ.
Σε αντίθεση με την ενέργεια, τα θρεπτικά συστατικά μπορούν να χρησιμοποιηθούν επανειλημμένα: ο κύκλος τους είναι χαρακτηριστικό γνώρισμα. Μια άλλη διαφορά με την ενέργεια είναι ότι η παροχή θρεπτικών συστατικών δεν είναι σταθερή. Η διαδικασία δέσμευσης ορισμένων από αυτά ως ζωντανή βιομάζα μειώνει την ποσότητα που παραμένει στο περιβάλλον του οικοσυστήματος.
Ας εξετάσουμε λεπτομερέστερα τους βιογεωχημικούς κύκλους ορισμένων ουσιών. κύκλος θρεπτικών συστατικών
1. Κύκλος του νερού
Το νερό βρίσκεται σε συνεχή κίνηση. Εξατμίζοντας από την επιφάνεια των δεξαμενών, το έδαφος, τα φυτά, το νερό συσσωρεύεται στην ατμόσφαιρα και, αργά ή γρήγορα, πέφτει με τη μορφή βροχοπτώσεων, αναπληρώνοντας αποθέματα σε ωκεανούς, ποτάμια, λίμνες κ.λπ. Έτσι, η ποσότητα του νερού στη Γη δεν αλλάζει, αλλάζει μόνο τις μορφές του - αυτός είναι ο κύκλος του νερού στη φύση. Από όλες τις βροχοπτώσεις που πέφτουν, το 80% πέφτει απευθείας στον ωκεανό. Για εμάς, το υπόλοιπο 20% που πέφτει στη στεριά έχει μεγαλύτερο ενδιαφέρον, καθώς οι περισσότερες πηγές νερού που χρησιμοποιούνται από τον άνθρωπο αναπληρώνονται ακριβώς από αυτό το είδος βροχοπτώσεων. Για να το θέσω απλά, το νερό που πέφτει στη στεριά έχει δύο μονοπάτια. Ή, συλλέγοντας σε ρέματα, ρυάκια και ποτάμια, καταλήγει σε λίμνες και ταμιευτήρες - τις λεγόμενες ανοιχτές (ή επιφανειακές) πηγές πρόσληψης νερού. Ή το νερό, που διαρρέει το έδαφος και τα στρώματα του υπεδάφους, αναπληρώνει τα αποθέματα υπόγειων υδάτων. Τα επιφανειακά και τα υπόγεια ύδατα αποτελούν τις δύο κύριες πηγές παροχής νερού. Και οι δύο αυτοί υδατικοί πόροι είναι αλληλένδετοι και έχουν τόσο τα πλεονεκτήματα όσο και τα μειονεκτήματά τους ως πηγή πόσιμου νερού.
Στη βιόσφαιρα, το νερό, μετακινούμενο συνεχώς από τη μια κατάσταση στην άλλη, κάνει μικρούς και μεγάλους κύκλους. Η εξάτμιση του νερού από την επιφάνεια του ωκεανού, η συμπύκνωση υδρατμών στην ατμόσφαιρα και η κατακρήμνιση στην επιφάνεια του ωκεανού σχηματίζουν έναν μικρό κύκλο. Εάν οι υδρατμοί μεταφέρονται από ρεύματα αέρα στη στεριά, ο κύκλος γίνεται πολύ πιο περίπλοκος. Σε αυτή την περίπτωση, μέρος της βροχόπτωσης εξατμίζεται και επιστρέφει στην ατμόσφαιρα, το άλλο τροφοδοτεί ποτάμια και δεξαμενές, αλλά τελικά επιστρέφει στον ωκεανό ξανά με ποτάμι και υπόγεια απορροή, ολοκληρώνοντας έτσι τον μεγάλο κύκλο. Μια σημαντική ιδιότητα του κύκλου του νερού είναι ότι, αλληλεπιδρώντας με τη λιθόσφαιρα, την ατμόσφαιρα και τη ζωντανή ύλη, συνδέει όλα τα μέρη της υδρόσφαιρας: τον ωκεανό, τα ποτάμια, την υγρασία του εδάφους, τα υπόγεια ύδατα και την ατμοσφαιρική υγρασία. Το νερό είναι το πιο σημαντικό συστατικό όλων των ζωντανών όντων. Τα υπόγεια ύδατα, διεισδύοντας μέσω του φυτικού ιστού κατά τη διαδικασία της διαπνοής, εισάγουν μεταλλικά άλατα απαραίτητα για τη ζωή των ίδιων των φυτών.
Το πιο αργό μέρος του κύκλου του νερού είναι η δραστηριότητα των πολικών παγετώνων, η οποία αντανακλά την αργή κίνηση και την ταχεία τήξη των παγετώνων. Μετά την ατμοσφαιρική υγρασία, τα νερά των ποταμών χαρακτηρίζονται από τη μεγαλύτερη δραστηριότητα ανταλλαγής, η οποία αλλάζει κατά μέσο όρο κάθε 11 ημέρες. Η εξαιρετικά γρήγορη ανανεώσιμη δυνατότητα των κύριων πηγών γλυκού νερού και η αφαλάτωση του νερού στη διαδικασία του κύκλου είναι μια αντανάκλαση της παγκόσμιας διαδικασίας της δυναμικής του νερού στον κόσμο.
2. Κύκλος οξυγόνου
Το οξυγόνο είναι το πιο άφθονο στοιχείο στη Γη. Το θαλασσινό νερό περιέχει 85,82% οξυγόνο, ο ατμοσφαιρικός αέρας περιέχει 23,15% κατά βάρος ή 20,93% κατ' όγκο και ο φλοιός της γης περιέχει 47,2% κατά βάρος. Αυτή η συγκέντρωση οξυγόνου στην ατμόσφαιρα διατηρείται σταθερή με τη διαδικασία της φωτοσύνθεσης. Σε αυτή τη διαδικασία, τα πράσινα φυτά μετατρέπουν το διοξείδιο του άνθρακα και το νερό σε υδατάνθρακες και οξυγόνο όταν εκτίθενται στο ηλιακό φως. Το μεγαλύτερο μέρος του οξυγόνου βρίσκεται σε δεσμευμένη κατάσταση. Η ποσότητα του μοριακού οξυγόνου στην ατμόσφαιρα υπολογίζεται σε 1,5 * 1015 m, που είναι μόνο το 0,01% της συνολικής περιεκτικότητας σε οξυγόνο στον φλοιό της γης. Στη φυσική ζωή, το οξυγόνο είναι εξαιρετικής σημασίας. Το οξυγόνο και οι ενώσεις του είναι απαραίτητα για τη διατήρηση της ζωής. Παίζουν ζωτικό ρόλο στις μεταβολικές διεργασίες και την αναπνοή. Το οξυγόνο είναι μέρος των πρωτεϊνών, των λιπών, των υδατανθράκων, από τα οποία «χτίζονται» οι οργανισμοί. Το ανθρώπινο σώμα, για παράδειγμα, περιέχει περίπου 65% οξυγόνο. Οι περισσότεροι οργανισμοί αποκτούν την απαραίτητη ενέργεια για την εκτέλεση των ζωτικών λειτουργιών τους μέσω της οξείδωσης ορισμένων ουσιών με τη βοήθεια οξυγόνου. Η απώλεια οξυγόνου στην ατμόσφαιρα ως αποτέλεσμα των διαδικασιών της αναπνοής, της αποσύνθεσης και της καύσης αντισταθμίζεται από το οξυγόνο που απελευθερώνεται κατά τη φωτοσύνθεση. Η αποψίλωση των δασών, η διάβρωση του εδάφους και οι διάφορες επιφανειακές εξορύξεις μειώνουν τη συνολική μάζα της φωτοσύνθεσης και μειώνουν τον κύκλο σε μεγάλες εκτάσεις. Μαζί με αυτό, μια ισχυρή πηγή οξυγόνου είναι, προφανώς, η φωτοχημική αποσύνθεση των υδρατμών στα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας υπό την επίδραση των υπεριωδών ακτίνων του ήλιου. Έτσι, στη φύση, ο κύκλος του οξυγόνου συμβαίνει συνεχώς, διατηρώντας τη σταθερότητα της σύνθεσης του ατμοσφαιρικού αέρα.
Εκτός από τον κύκλο οξυγόνου που περιγράφηκε παραπάνω σε αδέσμευτη μορφή, αυτό το στοιχείο ολοκληρώνει επίσης τον πιο σημαντικό κύκλο, που είναι μέρος του νερού.
3.Κύκλος άνθρακα
Ο άνθρακας είναι το δέκατο έκτο πιο άφθονο στοιχείο στη Γη μεταξύ όλων των στοιχείων και αποτελεί περίπου το 0,027% της μάζας του φλοιού της γης. Σε μια αδέσμευτη κατάσταση, βρίσκεται με τη μορφή διαμαντιών (τα μεγαλύτερα κοιτάσματα βρίσκονται στη Νότια Αφρική και τη Βραζιλία) και γραφίτη (τα μεγαλύτερα κοιτάσματα βρίσκονται στη Γερμανία, τη Σρι Λάνκα και την ΕΣΣΔ). Ο σκληρός άνθρακας περιέχει έως και 90% άνθρακα. Σε δεσμευμένη κατάσταση, ο άνθρακας βρίσκεται επίσης σε διάφορα ορυκτά καύσιμα, σε ανθρακικά ορυκτά, όπως ο ασβεστίτης και ο δολομίτης, καθώς και στη σύνθεση όλων των βιολογικών ουσιών. Με τη μορφή διοξειδίου του άνθρακα, είναι μέρος της γήινης ατμόσφαιρας, στην οποία αντιπροσωπεύει το 0,046% της μάζας.
Υπάρχει μια συνεχής ανταλλαγή χημικών στοιχείων μεταξύ της λιθόσφαιρας, της υδρόσφαιρας, της ατμόσφαιρας και των ζωντανών οργανισμών της Γης. Αυτή η διαδικασία είναι κυκλική: αφού μετακινηθούν από τη μια σφαίρα στην άλλη, τα στοιχεία επιστρέφουν στην αρχική τους κατάσταση. Ο κύκλος των στοιχείων έχει λάβει χώρα σε όλη την ιστορία της Γης, η οποία εκτείνεται σε 4,5 δισεκατομμύρια χρόνια.
Γιγαντιαίες μάζες χημικών ουσιών μεταφέρονται από τα νερά του Παγκόσμιου Ωκεανού. Αυτό ισχύει κυρίως για διαλυμένα αέρια - διοξείδιο του άνθρακα, οξυγόνο, άζωτο. Το κρύο νερό σε μεγάλα γεωγραφικά πλάτη διαλύει τα ατμοσφαιρικά αέρια. Ερχόμενος με ωκεάνια ρεύματα στην τροπική ζώνη, τα απελευθερώνει, αφού η διαλυτότητα των αερίων μειώνεται όταν θερμαίνονται. Η απορρόφηση και η απελευθέρωση αερίων συμβαίνει επίσης κατά την αλλαγή των θερμών και ψυχρών εποχών του έτους.
Η εμφάνιση της ζωής στον πλανήτη είχε τεράστιο αντίκτυπο στους φυσικούς κύκλους ορισμένων στοιχείων. Αυτό, πρώτα απ 'όλα, αναφέρεται στην κυκλοφορία των κύριων στοιχείων της οργανικής ύλης - άνθρακα, υδρογόνου και οξυγόνου, καθώς και ζωτικών στοιχείων όπως το άζωτο, το θείο και ο φώσφορος. Οι ζωντανοί οργανισμοί επηρεάζουν επίσης τον κύκλο πολλών μεταλλικών στοιχείων. Παρά το γεγονός ότι η συνολική μάζα των ζωντανών οργανισμών στη Γη είναι εκατομμύρια φορές μικρότερη από τη μάζα του φλοιού της γης, τα φυτά και τα ζώα παίζουν ζωτικό ρόλο στην κίνηση των χημικών στοιχείων.
Οι ανθρώπινες δραστηριότητες επηρεάζουν επίσης τον κύκλο των στοιχείων. Έχει γίνει ιδιαίτερα αισθητό τον περασμένο αιώνα. Κατά την εξέταση των χημικών πτυχών των παγκόσμιων αλλαγών στους χημικούς κύκλους, πρέπει να ληφθούν υπόψη όχι μόνο οι αλλαγές στους φυσικούς κύκλους λόγω της προσθήκης ή αφαίρεσης χημικών ουσιών που υπάρχουν σε αυτούς ως αποτέλεσμα φυσιολογικών κυκλικών ή ανθρωπογενών επιδράσεων, αλλά και η εισαγωγή χημικών ουσιών στο περιβάλλον που δεν υπήρχαν προηγουμένως στο περιβάλλον.φύση. Ας εξετάσουμε ένα από τα πιο σημαντικά παραδείγματα κυκλικής κίνησης και μετανάστευσης χημικών στοιχείων.
Ο άνθρακας, το βασικό στοιχείο της ζωής, βρίσκεται στην ατμόσφαιρα με τη μορφή διοξειδίου του άνθρακα. Στους ωκεανούς και τα γλυκά νερά της Γης, ο άνθρακας βρίσκεται σε δύο κύριες μορφές: ως μέρος της οργανικής ύλης και ως μέρος διασυνδεδεμένων ανόργανων σωματιδίων: διττανθρακικό ιόν, ανθρακικό ιόν και διαλυμένο διοξείδιο του άνθρακα. Μια μεγάλη ποσότητα άνθρακα συγκεντρώνεται με τη μορφή οργανικών ενώσεων σε ζώα και φυτά. Υπάρχει πολλή «μη ζωντανή» οργανική ουσία στο έδαφος. Ο άνθρακας της λιθόσφαιρας περιέχεται επίσης σε ανθρακικά ορυκτά (ασβεστόλιθος, δολομίτης, κιμωλία, μάρμαρο). Κάποιος άνθρακας βρίσκεται στο πετρέλαιο, τον άνθρακα και το φυσικό αέριο.
Ο συνδετικός κρίκος στον φυσικό κύκλο του άνθρακα είναι το διοξείδιο του άνθρακα (Εικ. 1).
Απλοποιημένο διάγραμμα του παγκόσμιου κύκλου άνθρακα. Οι αριθμοί στα κουτιά αντιπροσωπεύουν μεγέθη δεξαμενής σε δισεκατομμύρια τόνους — γιγατόνους (Gt). Τα βέλη δείχνουν ροές και οι σχετικοί αριθμοί εκφράζονται σε Gt/έτος.
Οι μεγαλύτερες δεξαμενές άνθρακα είναι τα θαλάσσια ιζήματα και τα ιζηματογενή πετρώματα στην ξηρά. Ωστόσο, το μεγαλύτερο μέρος αυτού του υλικού δεν αλληλεπιδρά με την ατμόσφαιρα, αλλά κυκλοφορεί μέσω της στερεάς Γης σε γεωλογικές χρονικές κλίμακες. Ως εκ τούτου, αυτές οι δεξαμενές παίζουν μικρό μόνο ρόλο στον σχετικά γρήγορο κύκλο άνθρακα που συμβαίνει με τη συμμετοχή της ατμόσφαιρας. Η επόμενη μεγαλύτερη δεξαμενή είναι το θαλασσινό νερό. Αλλά ακόμη και εδώ, το βαθύ τμήμα των ωκεανών, όπου περιέχεται ο κύριος όγκος του άνθρακα, δεν αλληλεπιδρά με την ατμόσφαιρα τόσο γρήγορα όσο η επιφάνειά τους. Οι μικρότερες δεξαμενές είναι η επίγεια βιόσφαιρα και η ατμόσφαιρα. Είναι το μικρό μέγεθος της τελευταίας δεξαμενής που την καθιστά ευαίσθητη ακόμη και σε μικρές αλλαγές στο ποσοστό άνθρακα σε άλλες (μεγαλύτερες) δεξαμενές, όπως κατά την καύση ορυκτών καυσίμων.
Ο σύγχρονος παγκόσμιος κύκλος άνθρακα αποτελείται από δύο μικρότερους κύκλους. Το πρώτο από αυτά είναι η δέσμευση του διοξειδίου του άνθρακα κατά τη φωτοσύνθεση και ο νέος σχηματισμός του κατά τη διάρκεια της ζωής των φυτών και των ζώων, καθώς και κατά την αποσύνθεση οργανικών υπολειμμάτων. Ο δεύτερος κύκλος προκαλείται από την αλληλεπίδραση του ατμοσφαιρικού διοξειδίου του άνθρακα και των φυσικών νερών:
Κατά τον τελευταίο αιώνα, έχουν γίνει σημαντικές αλλαγές στον κύκλο του άνθρακα από την ανθρώπινη οικονομική δραστηριότητα. Η καύση ορυκτών καυσίμων - άνθρακα, πετρελαίου και φυσικού αερίου - έχει αυξήσει την απελευθέρωση διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα. Αυτό δεν επηρεάζει πολύ την κατανομή των μαζών άνθρακα μεταξύ των φλοιών της Γης, αλλά μπορεί να έχει σοβαρές συνέπειες λόγω της ενίσχυσης του φαινομένου του θερμοκηπίου.
ΒΙΟΓΕΝΙΚΟΣ ΚΥΚΛΟΣ
Ας εξετάσουμε τους κύκλους που παίζουν τον μεγαλύτερο ρόλο στη βιόσφαιρα, οι οποίοι περιλαμβάνουν τους βιογεωχημικούς κύκλους του άνθρακα, του αζώτου, του οξυγόνου, του θείου και του φωσφόρου.
Κύκλος άνθρακα.Οι πηγές άνθρακα στη φύση είναι τόσο πολλές όσο και διαφορετικές. Εν τω μεταξύ, μόνο το διοξείδιο του άνθρακα, το οποίο βρίσκεται είτε σε αέρια κατάσταση στην ατμόσφαιρα είτε σε διαλυμένη στο νερό, είναι η πηγή άνθρακα που χρησιμεύει ως βάση για την επεξεργασία
στην οργανική ύλη των ζωντανών όντων. Απορροφάται από τα φυτά κατά τη φωτοσύνθεση, μετατρέπεται σε σάκχαρα και σε άλλες βιοσυνθετικές διαδικασίες μετατρέπεται σε πρωτεΐνες, λιπίδια κ.λπ. Αυτές οι διάφορες ουσίες παρέχουν υδατάνθρακες σε ζώα και μη πράσινα φυτά. Σαπροφάγα ζώα και μικροοργανισμοί που ζουν στο έδαφος μεταμορφώνουν νεκρά φυτά και ζωικά υπολείμματα σε ένα νέο σχηματισμό οργανικής ύλης, ένα περισσότερο ή λιγότερο παχύ στρώμα καφέ ή μαύρης μάζας - χούμο. Ο ρυθμός με τον οποίο οι οργανισμοί αποσύνθεσης δρουν στο χούμο δεν είναι ο ίδιος και οι αλυσίδες μυκήτων και βακτηρίων που οδηγούν στην τελική ανοργανοποίηση του άνθρακα ποικίλλουν σε μήκος. Μερικές φορές η αλυσίδα μπορεί να είναι μικρή και ατελής: οργανικά υπολείμματα συσσωρεύονται με τη μορφή τύρφης και σχηματίζουν τύρφη. Σε ορισμένους τυρφώνες με παχύ κάλυμμα από βρύα σφάγνου, το στρώμα τύρφης μπορεί να φτάσει τα 20 m ή περισσότερο. Εδώ σταματά ο κύκλος του άνθρακα. Οι αποθέσεις ορυκτών οργανικών ενώσεων με τη μορφή άνθρακα και πετρελαίου υποδηλώνουν στασιμότητα της κυκλοφορίας σε γεωλογική χρονική κλίμακα (Εικ. 3).
Ο κύκλος του άνθρακα λιμνάζει επίσης στο νερό, καθώς το διοξείδιο του άνθρακα συσσωρεύεται με τη μορφή CaCO 3 (κιμωλία, ασβεστόλιθος ή κοράλλια) χημικής ή βιογενούς προέλευσης. Συχνά αυτές οι μάζες άνθρακα παραμένουν εκτός κύκλου για ολόκληρες γεωλογικές περιόδους, μέχρι το CaCO3 να ανέβει πάνω από την επιφάνεια της θάλασσας με τη μορφή αλυσίδων βουνών. Από αυτή τη στιγμή, ο άνθρακας και το ασβέστιο αρχίζουν να εισέρχονται στον κύκλο λόγω της έκπλυσης του ασβεστόλιθου με καθίζηση, υπό την επίδραση των λειχήνων, καθώς και των ριζών των ανθοφόρων φυτών. Οι ανθρώπινες δραστηριότητες παίζουν μεγάλο ρόλο στον κύκλο του άνθρακα. Η ανθρωπότητα καταναλώνει ετησίως περίπου 6 10 9 τόνους άνθρακα σε απολιθωμένη μορφή. Εάν το διοξείδιο του άνθρακα που παράγεται ως αποτέλεσμα της καύσης δεν αφαιρούνταν από την ατμόσφαιρα, η ετήσια αύξηση της περιεκτικότητάς του στον αέρα θα ήταν 2,3 εκατομμύρια τόνους Τα τελευταία 100 χρόνια, η περιεκτικότητα σε διοξείδιο του άνθρακα αυξήθηκε από 290 σε 320 εκατομμύρια τόνους , με περισσότερο από το 1/5 αυτής της αύξησης να μειώνεται τις τελευταίες δεκαετίες. Έτσι, η συνολική αύξηση της περιεκτικότητας σε διοξείδιο του άνθρακα στην ατμόσφαιρα είναι περίπου μόνο το 1/3 της ποσότητας αερίου που απελευθερώνεται κατά την καύση (κατά απόλυτη μάζα - 200 · 10 9 τόνοι). Το υπόλοιπο διοξείδιο του άνθρακα πηγαίνει για να αυξήσει τη φυτική μάζα (αφού είναι γνωστό ότι τα φυτά αναπτύσσονται πιο γρήγορα εάν η περιεκτικότητα σε CO2 στην ατμόσφαιρα είναι υψηλότερη). μέρος του διαλύεται στα νερά του ωκεανού. Αν και, σύμφωνα με ορισμένες εκτιμήσεις, η βιομάζα της γης τα τελευταία 100 χρόνια θα μπορούσε να έχει αυξηθεί κατά 15 · 10 9 τόνους, δεν υπάρχουν άμεσες αποδείξεις γι' αυτό.
Η ένταση της ανθρώπινης δραστηριότητας αυξάνεται. Ο ρυθμός κατανάλωσης ορυκτών καυσίμων αυξάνεται επίσης χρόνο με το χρόνο. Σε 15 χρόνια, η περιεκτικότητα σε CO 2 στην ατμόσφαιρα θα αυξηθεί από 320 σε 375 -
400 εκατομμύρια τόνοι Η αύξηση της περιεκτικότητας σε CO 2 στην ατμόσφαιρα θα οδηγήσει αναπόφευκτα σε αύξηση της θερμοκρασίας της επιφάνειας της Γης και κατά συνέπεια σε λιώσιμο των παγετώνων, άνοδο της στάθμης των ωκεανών και άλλες εξίσου σοβαρές συνέπειες. Ως εκ τούτου, η ανθρωπότητα βρίσκεται αντιμέτωπη με το καθήκον της αναζήτησης πηγών ενέργειας και τεχνολογικών διεργασιών στις οποίες η περιεκτικότητα σε διοξείδιο του άνθρακα στον αέρα δεν θα αυξηθεί με τόσο σημαντικό ρυθμό. Είναι επίσης γνωστό ότι η αποψίλωση των δασών και η χρήση της γης για δρόμους και κτίρια μειώνουν την έκταση της πράσινης κάλυψης στη Γη και μειώνουν τον ρυθμό αφομοίωσης. Κατά τη χρήση φυσικών φυτοκενώσεων και την αντικατάστασή τους με καλλιεργούμενες, θα πρέπει να λαμβάνεται υπόψη η ανάγκη διατήρησης του γενικού επιπέδου φωτοσύνθεσης και ακόμη καλύτερα, διασφάλισης της αύξησής της.
Κύκλος αζώτου- δύσκολη διαδικασία. Αν και το άζωτο αποτελεί το 70% της ατμόσφαιρας, η στερέωσή του απαιτεί
ώστε να έχει τη μορφή ορισμένων χημικών ενώσεων. Οι οδοί για τη δέσμευση αζώτου είναι πολύ διαφορετικές (Εικ. 4). Η δέσμευση του αζώτου συμβαίνει κατά την ηφαιστειακή δραστηριότητα, κατά τις εκκενώσεις κεραυνών στην ατμόσφαιρα, όταν πραγματοποιείται ο ιονισμός του και κατά την καύση μετεωριτών. Ωστόσο, ένας ασύγκριτα μεγάλος ρόλος στη διαδικασία δέσμευσης του αζώτου ανήκει στους μικροοργανισμούς, τόσο ελεύθερους όσο και σε αυτούς που ζουν στις ρίζες σε ειδικούς όζους και μερικές φορές στα φύλλα ορισμένων φυτών.
Η τεράστια δεξαμενή ελεύθερου μοριακού αζώτου στην ατμόσφαιρα δεν χρησιμοποιείται απευθείας από τα ανώτερα φυτά, καθώς απαιτείται πολλή ενέργεια για να καταστραφούν οι ισχυροί δεσμοί μεταξύ των ατόμων στο μόριο N 2. Μόνο το 0,001% του αζώτου στη βιόσφαιρα δεσμεύεται στη βιομάζα και στους μεταβολίτες των οργανισμών. Η μεταφορά του μοριακού αζώτου σε δεσμευμένη κατάσταση πραγματοποιείται στη φύση από μικροοργανισμούς που δεσμεύουν το άζωτο, οι οποίοι σχηματίζουν ενώσεις από αυτό με την αμινομάδα NH 2 - το κύριο προϊόν δέσμευσης αζώτου, το οποίο περιλαμβάνεται στον βιογονικό κύκλο από όλους τους άλλους οργανισμούς : μικρόβια, φυτά, μύκητες, ζώα. Στη συνέχεια, ενώσεις πλούσιες σε άζωτο (αμμωνία, ιόντα αμμωνίου, αμινοξέα) οξειδώνονται στο νερό και στο έδαφος από βακτήρια που σχηματίζουν νιτρώδη και νιτρικά άλατα σε οξείδια αζώτου NO 2 και NO 3, και στο τελευταίο στάδιο του κύκλου αυτά τα οξείδια είναι μετατρέπεται μέσω της απονιτροποίησης των βακτηρίων σε μοριακό άζωτο, το οποίο εισέρχεται στην ατμόσφαιρα. Κάθε χρόνο, τα βακτήρια μετατρέπουν τουλάχιστον 1 δισεκατομμύριο τόνους αζώτου σε δεσμευμένη μορφή, ενώ η ποσότητα του δεσμευμένου αζώτου στα ορυκτά λιπάσματα δεν ξεπερνά τους 90 εκατομμύρια τόνους ετησίως.
Οι οργανισμοί που δεσμεύουν το άζωτο στις ρίζες των φυτών αντιπροσωπεύονται από βακτήρια και, λιγότερο συχνά, μύκητες. Οζίδια με αζωτοδεσμευτικούς οργανισμούς αναπτύσσονται στις ρίζες των εκπροσώπων της οικογένειας των ψυχανθών και άλλων φυτών διαφόρων ταξινομήσεων. Η απόδοση σταθερού αζώτου για τα οζίδια βακτήρια που ζουν στις ρίζες των ψυχανθών είναι συχνά 350 kg/ha ετησίως, δηλ. περίπου 100 φορές υψηλότερο από ό,τι για τους ελεύθερα ζωντανούς οργανισμούς που δεσμεύουν το άζωτο.
Πιθανώς η μεγαλύτερη ανθρώπινη παρέμβαση στον κύκλο των ουσιών στη φύση είναι η βιομηχανική δέσμευση αζώτου. Σύμφωνα με τον K. Delwiche (1972), η βιομηχανία καθορίζει ετησίως τόσο άζωτο όσο καθορίζεται από τους ζωντανούς οργανισμούς πριν από την εισαγωγή της σύγχρονης γεωργικής τεχνολογίας.
Κύκλος οξυγόνου.Αναμφίβολα, το μεγαλύτερο μέρος του οξυγόνου στην ατμόσφαιρα είναι βιογενούς προέλευσης, μόνο ένα μικρό ποσοστό του εμφανίστηκε ως αποτέλεσμα της φωτόλυσης (αποσύνθεση του νερού σε οξυγόνο και υδρογόνο με φωτεινή ενέργεια). Ο ρόλος των έμβιων όντων και της οργανικής ύλης στον σχηματισμό του διοξειδίου του άνθρακα της ατμόσφαιρας είναι επίσης αδιαμφισβήτητος. Μπορεί να δηλωθεί με βεβαιότητα ότι η ζωή που προέκυψε
Ρύζι. 4. Εκτίμηση της ποσότητας σταθερού αζώτου που χάνεται και αποκτάται από τη βιόσφαιρα σε διάφορες διεργασίες (P. Duvigneau, M. Tang, 1968). Κατά τη διάρκεια ενός έτους, σχεδόν 92 εκατομμύρια τόνοι σταθερού αζώτου εισέρχονται στη βιόσφαιρα (ασκιασμένες ράβδοι)· περίπου 83 εκατομμύρια τόνοι (σκιασμένες ράβδοι) επιστρέφουν στην ατμόσφαιρα ως αποτέλεσμα της απονιτροποίησης. Οι «αγνοούμενοι» περίπου 9 εκατομμύρια τόνοι εναποτίθενται προφανώς ετησίως στη βιόσφαιρα στο έδαφος, τα υπόγεια ύδατα, τις λίμνες, τα ποτάμια και τον ωκεανό
στη Γη, οδήγησε σταδιακά στην εμφάνιση της σύγχρονης σύνθεσης της ατμόσφαιρας, η οποία υποστηρίζεται από τη δραστηριότητα των ζωντανών όντων. Σε ποσοτικούς όρους, το οξυγόνο είναι το κύριο συστατικό της ζωντανής ύλης. Αν λάβουμε υπόψη το νερό που περιέχεται στους ιστούς, τότε, για παράδειγμα, το ανθρώπινο σώμα περιέχει 62,8% οξυγόνο και 19,4% άνθρακα. Αν λάβουμε υπόψη τη βιόσφαιρα ως σύνολο, αυτό το στοιχείο, σε σύγκριση με τον άνθρακα και το υδρογόνο, είναι το κύριο μεταξύ των απλών ουσιών.
Ο κύκλος του οξυγόνου είναι πολύ περίπλοκος από την ικανότητα του στοιχείου να σχηματίζει πολυάριθμες χημικές ενώσεις, που παρουσιάζονται σε διάφορες μορφές. Ως αποτέλεσμα, συμβαίνουν πολλοί επίκυκλοι, που συμβαίνουν μεταξύ της λιθόσφαιρας και της ατμόσφαιρας ή μεταξύ της υδρόσφαιρας και αυτών των δύο περιβαλλόντων.
Το οξυγόνο που περιέχεται στην ατμόσφαιρα και τα πολυάριθμα επιφανειακά ορυκτά (ιζηματογενείς ασβεστίτες, μεταλλεύματα σιδήρου) είναι βιογενούς προέλευσης. Οι τεράστιες εναποθέσεις οξειδίων του σιδήρου μετά την Κάμβρια υποδεικνύουν μεγάλη δραστηριότητα πρωτόγονων οργανισμών, οι οποίοι μερικές φορές δέσμευαν όλο το ελεύθερο οξυγόνο της υδρόσφαιρας στη βιομάζα και τους μεταβολίτες τους. Ο σχηματισμός μιας οθόνης όζοντος στην ατμόσφαιρα, ικανή να μπλοκάρει την πιο επικίνδυνη υπεριώδη ακτινοβολία, ξεκίνησε από τη στιγμή που το οξυγόνο έφτασε σε συγκέντρωση περίπου 1% της τρέχουσας περιεκτικότητάς του. Μετά από αυτό, οι αυτότροφοι ευκαρυωτικοί οργανισμοί μπόρεσαν να αναπτυχθούν στα ανώτερα στρώματα του νερού (όπου η ηλιακή ροή ήταν πιο ισχυρή), γεγονός που αύξησε την ένταση της φωτοσύνθεσης και, κατά συνέπεια, την παραγωγή οξυγόνου.
Η κατανάλωση ατμοσφαιρικού οξυγόνου και η αντικατάστασή του από πρωτογενείς παραγωγούς γίνεται αρκετά γρήγορα. Υπολογίζεται ότι χρειάζονται 2 χιλιάδες χρόνια για να ανανεωθεί πλήρως όλο το ατμοσφαιρικό οξυγόνο. Χρειάζονται όμως 2 εκατομμύρια χρόνια για όλα τα μόρια του νερού στην υδρόσφαιρα να υποβληθούν σε φωτόλυση και να επανασυντεθούν από τους ζωντανούς οργανισμούς. Όσο για το ατμοσφαιρικό διοξείδιο του άνθρακα, ο πλήρης κύκλος του γίνεται πολύ γρήγορα, αφού χρειάζονται μόνο 300 χρόνια για την πλήρη ανανέωσή του. Το μεγαλύτερο μέρος του οξυγόνου που παράγεται κατά τη διάρκεια των γεωλογικών εποχών δεν παρέμεινε στην ατμόσφαιρα, αλλά στερεώθηκε στη λιθόσφαιρα με τη μορφή ανθρακικών, θειικών αλάτων, οξειδίων του σιδήρου κ.λπ. Αυτή η μάζα είναι 590 · 10 14 τόνοι έναντι 39 · 10 14 τόνοι οξυγόνου που κυκλοφορεί στη βιόσφαιρα με τη μορφή αερίου ή θειικών αλάτων διαλυμένων σε ωκεάνια και ηπειρωτικά ύδατα.
Κύκλος θείου.Το κυρίαρχο μέρος του κύκλου αυτού του στοιχείου είναι ιζηματογενούς φύσης και εμφανίζεται στο έδαφος και το νερό παρουσία πολυάριθμων αέριων ενώσεων θείου, όπως το υδρόθειο και το διοξείδιο του θείου.
Η κύρια πηγή θείου που διατίθεται στα έμβια όντα είναι όλα τα είδη θειικών αλάτων. Καλή διαλυτότητα στο νερό πολλών θειικών
διευκολύνει την πρόσβαση του ανόργανου θείου στα οικοσυστήματα. Με την απορρόφηση των θειικών, τα φυτά τα αποκαθιστούν και παράγουν αμινοξέα που περιέχουν θείο (μεθειονίνη, κυστεΐνη, κυστίνη).
Όλα τα είδη οργανικών υπολειμμάτων στη βιοκένωση αποσυντίθενται από ετερότροφα βακτήρια, τα οποία τελικά σχηματίζουν υδρόθειο από σουλφοπρωτεΐνες που περιέχονται στο έδαφος.
Οι μαύρες λάσπες, που εμφανίζονται φυσικά στον πυθμένα ορισμένων θαλασσών (για παράδειγμα, στη Μαύρη Θάλασσα), στις λίμνες, καθώς και σε διάφορες ηπειρωτικές δεξαμενές γλυκού νερού μετά από ανθρώπινη μόλυνση, είναι πλούσιες σε οργανισμούς αποσύνθεσης θείου που λειτουργούν σε αναερόβιες συνθήκες. Μερικοί τύποι βακτηρίων, π.χ. Beggiatoa,μπορεί να αναγάγει το υδρόθειο σε στοιχειακό θείο. Ωστόσο, υπάρχουν βακτήρια που μπορούν και πάλι να οξειδώσουν το υδρόθειο σε θειικά, γεγονός που αυξάνει και πάλι την προσφορά θείου που διατίθεται στους παραγωγούς.
Η τελευταία φάση του κύκλου του θείου είναι εξ ολοκλήρου ιζηματογενής. Συνίσταται στην καθίζηση αυτού του στοιχείου υπό αναερόβιες συνθήκες παρουσία σιδήρου. Διάφορα στάδια αυτής της διαδικασίας, ειδικά τα αναστρέψιμα, επιτρέπουν περαιτέρω τη χρήση αποθεμάτων ιζήματος.
Έτσι, η τελευταία φάση του κύκλου του θείου τελειώνει με την αργή και σταδιακή συσσώρευσή του σε βαθιά ιζηματογενή πετρώματα.
Κύκλος φωσφόρου.Αυτό το στοιχείο είναι ένα από τα κύρια συστατικά της ζωντανής ύλης, στην οποία περιέχεται σε αρκετά μεγάλες ποσότητες.
Τα αποθέματα φωσφόρου που είναι διαθέσιμα στα έμβια όντα είναι εξ ολοκλήρου συγκεντρωμένα στη λιθόσφαιρα. Οι κύριες πηγές ανόργανου φωσφόρου είναι πυριγενή (για παράδειγμα, απατίτες) ή ιζηματογενή (για παράδειγμα, φωσφορίτες) πετρώματα. Ο ορυκτός φώσφορος είναι ένα σπάνιο στοιχείο στη βιόσφαιρα· στον φλοιό της γης η περιεκτικότητά του δεν υπερβαίνει το 1%, που είναι ο κύριος παράγοντας που περιορίζει την παραγωγικότητα των οικοσυστημάτων. Ο ανόργανος φώσφορος από πετρώματα του φλοιού της γης εμπλέκεται στην κυκλοφορία με έκπλυση και διάλυση στα ηπειρωτικά ύδατα. Εισέρχεται στα χερσαία οικοσυστήματα και απορροφάται από τα φυτά, τα οποία με τη συμμετοχή του συνθέτουν διάφορες οργανικές ενώσεις και έτσι περιλαμβάνονται στις τροφικές αλυσίδες. Τα οργανικά φωσφορικά, μαζί με τα υπολείμματα, τα απόβλητα και τις εκκρίσεις ζωντανών όντων, επιστρέφουν στη συνέχεια στο έδαφος, όπου εκτίθενται ξανά σε μικροοργανισμούς και μετατρέπονται σε ορυκτά ορθοφωσφορικά, έτοιμα για κατανάλωση από πράσινα φυτά και άλλα αυτότροφα.
Ο φώσφορος εισάγεται στα υδάτινα οικοσυστήματα από τα ρέοντα νερά. Τα ποτάμια εμπλουτίζουν συνεχώς τους ωκεανούς με φωσφορικά άλατα, τα οποία προάγουν την ανάπτυξη φυτοπλαγκτού και ζωντανών οργανισμών που βρίσκονται σε διάφορα επίπεδα της τροφικής αλυσίδας του γλυκού νερού ή της θάλασσας
δεξαμενές Η επιστροφή των ορυκτών φωσφορικών αλάτων στο νερό πραγματοποιείται μέσω βιοαναγωγέων Σε όλα τα υδάτινα οικοσυστήματα, όπως και στα ηπειρωτικά, ο φώσφορος βρίσκεται σε τέσσερις μορφές, αντίστοιχα αδιάλυτος ή διαλυτός
Έχοντας εντοπίσει όλους τους μετασχηματισμούς του φωσφόρου στην κλίμακα της βιόσφαιρας, μπορεί κανείς να παρατηρήσει ότι ο κύκλος του δεν είναι κλειστός (Εικ. 5) Στα χερσαία οικοσυστήματα, ο κύκλος του φωσφόρου λαμβάνει χώρα σε βέλτιστες φυσικές συνθήκες με ελάχιστες απώλειες λόγω έκπλυσης (η απολίθωση σκελετών σπονδυλωτών στην ξηρά είναι ένα μάλλον σπάνιο φαινόμενο, επομένως η επίδρασή της στον κύκλο του φωσφόρου δεν αξίζει προσοχής) Στον ωκεανό, αυτό απέχει πολύ από την περίπτωση. Αυτό οφείλεται στη συνεχή καθίζηση οργανικών ουσιών, ιδίως τα υπολείμματα ψαριών εμπλουτισμένα σε φώσφορο, θραύσματα του οποίου, που δεν χρησιμοποιούνται για τροφή από παρασιτοφάγους και καταστροφείς, συσσωρεύονται συνεχώς στον βυθό των θαλασσών Οργανικός φώσφορος εγκαθίσταται σε παλιρροϊκές λωρίδες και ρηχά νερά, ίσως
να επανέλθει στον κύκλο μετά την ανοργανοποίηση, αλλά αυτό δεν ισχύει για ιζήματα στον πυθμένα των ζωνών βαθέων υδάτων, που καταλαμβάνουν το 85% της συνολικής έκτασης των ωκεανών. Τα φωσφορικά άλατα που εναποτίθενται σε μεγάλα θαλάσσια βάθη αποκλείονται από τη βιόσφαιρα και δεν μπορούν πλέον να συμμετέχουν στον κύκλο. Φυσικά, όπως σημείωσε ο V.A. Kovda (1968), στοιχεία του βιογεωχημικού ιζηματογενούς κύκλου δεν μπορούν να συσσωρεύονται επ' αόριστον στον πυθμένα του ωκεανού. Οι τεκτονικές κινήσεις συμβάλλουν στην αργή άνοδο του ιζήματος που συσσωρεύεται στον πυθμένα των γεωσύγκλινων προς την επιφάνεια. Έτσι, ο κλειστός κύκλος των ιζηματογενών στοιχείων έχει διάρκεια μετρούμενη με γεωλογικές περιόδους, δηλ. δεκάδες και εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια.
- Σε επαφή με 0
- Google+ 0
- Εντάξει 0
- Facebook 0
