Круговорот важнейших химических элементов в биосфере

Круговорот важнейших химических элементов в биосфере	3
Круговорот серы  в биосфере	7
Круговорот углекислого газа в биосфере	8
Круговорот азота в биосфере	9
Круговорот фосфора в биосфере	10
Список литературы	15

Содержание

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Круговорот важнейших  химических элементов в биосфере

Транспортная функция  живого вещества заключается не только в переносе вещества против силы тяжести или в горизонтальном направлении, но и в доставке элементов при миграции организмов.

В круговороте веществ  в биосфере принимают участие  все живые организмы, поглощающие  из внешней среды одни вещества и  выделяющие в нее другие. Так, растения потребляют из внешней среды углекислый газ, воду и минеральные соли и  выделяют в нее кислород.

Животные вдыхают кислород, выделенный растениями, а поедая их, усваивают синтезированные из воды и углекислого газа органические вещества и выделяют углекислый газ, воду и вещества непереваренной части  пищи. При разложении бактериями и  грибами отмерших растений и животных образуется дополнительное количество углекислого газа, а органические вещества превращаются в минеральные, которые попадают в почву и  снова усваиваются растениями. Таким  образом, атомы основных химических элементов постоянно совершают  миграцию из одного организма в другой, из почвы, атмосферы и гидросферы — в живые организмы, а из них—в  окружающую среду, пополняя таким образом  неживое вещество биосферы. Непрерывная  циркуляция химических элементов в  биосфере по более или менее замкнутым  путям называется биогеохимическим циклом.

 Необходимость такой  циркуляции объясняется ограниченностью  их запасов на планете. Чтобы  обеспечить бесконечность жизни,  химические элементы должны совершать  движение по кругу. Круговорот  каждого химического элемента  является частью общего грандиозного  круговорота веществ на Земле,  т. е. все круговороты тесно  связаны между собой.

Большой круговорот веществ  в пределах верхних горизонтов земного  шара возникает под влиянием действия солнечной энергии и энергии распада радиоактивных веществ.

Магматическая порода, возникшая  при кристаллизации магмы, поступившей  из глубин Земли, на поверхности литосферы  подвергается разложению — выветриванию в материал различной степени измельчения.

Он сносится водами и другими  агентами в пониженные места рельефа и в большей части попадает в море, океан. За этот счет образуются мощные толщи осадочных горных пород, которые в ходе времени погружаются на большие глубины и в области повышенных температур и давлений подвергаются метаморфизму, переплавлению.

При переплавлении возникает  магма, которая в благоприятных  условиях может снова поступить  в верхние горизонты земной коры, где застывает в форме различных  интрузивных тел. Затем все повторяется  сначала.

Общий круговорот веществ  складывается из отдельных процессов, которые не являются полностью обратимыми, так как происходит рассеивание  вещества, изменение его состава  и т. д.

В пределах биосферы осуществляются геологические круговороты. Энергетической основой для них служит энергия  Солнца. Геологический круговорот наиболее четко проявляется в процессе непрерывного, взаимосвязанного перемещения  воды на Земле.

Под воздействием солнечной  энергии вода в биосфере непрерывно переходит из одного состояния в  другое. Испарение ее с поверхности  океана, подъем водяных паров в  атмосферу и выпадение на поверхность  океана в форме осадков образуют малый круговорот воды. Когда водяные  пары переносятся на сушу, круговорот усложняется. В виде осадков вода выпадает на поверхность суши, часть ее вновь испаряется и поступает в атмосферу.

Другая часть питает реки и озера, внутренними и поверхностными стоками вновь выносится в  океан. Этим завершается большой  круговорот воды. Важнейшее свойство круговорота воды заключается в  том, что он, взаимодействуя с литосферой, атмосферой и живым веществом, связывает воедино все части гидросферы: океан, реки, почвенную влагу, подземные воды и атмосферную влагу.

С появлением живого вещества на основе геологических круговоротов возникли малые биологические круговороты — миграция элементов при помощи живых организмов. Химические элементы непрерывно циркулируют в биосфере, переходя из внешней среды в организмы и опять во внешнюю среду. Такая циркуляция веществ по более или менее замкнутым путям называется биогеохимическим циклом. Основными биогеохимическими циклами являются круговороты кислорода, углерода, водорода, азота, фосфора, серы и других биогенных элементов.

В экосистеме происходит постоянный круговорот элементов питания с участием биотического и абиотического компонентов. Движущей силой круговоротов служит солнечная энергия, которую используют непосредственно фотосинтезирующие организмы и затем передают ее другим представителям биотического компонента. В итоге создается поток энергии и питательных веществ через экосистему, который носит название биогеохимического цикла.

Биогеохимические циклы  — циркуляция в биосфере химических элементов и неорганических соединений по характерным путям из внешней  среды в организмы, и из организмов во внешнюю среду. Такое перемещение элементов и неорганических соединений, необходимых для жизни, можно назвать круговоротом элементов питания.

При изучении круговорота  удобно выделять две части, или два  фактора:

• резервный фонд — большая  масса медленно движущихся  веществ, в основном небиологический компонент;
• подвижный, или обменный, фонд, для которого характерен быстрый обмен между органической и неорганической средой.

Для биосферы в целом  можно выделить два основных типа биогеохимических циклов:

1)круговорот газообразных  веществ, с резервным фондом  в атмосфере или гидросфере;

2)осадочный цикл  с резервным фондом в земной  коре.

Такое разделение биогеохимических циклов основано на том, что некоторые  круговороты, например те, в которых  участвуют углерод, азот и кислород, из-за наличия крупных атмосферных  или океанических фондов довольно быстро компенсируют нарушения. Так, накопленный в каком-либо месте избыток СО₂обычно быстро рассеивается воздушными потоками, а увеличение его концентрации в атмосфере способствует большему потреблению растениями и превращению в карбонаты в море.

В целом круговороты  газообразных веществ в глобальном масштабе можно считать хорошо забуференными, так как их способность к саморегуляции  и поддержанию определенных концентраций различных веществ достаточно велика.

Следует отметить, что, хотя атмосфера и имеет большой  резервный фонд и высокую способность к саморегуляции, все же они не беспредельны.

 

Круговорот  серы в биосфере

   Круговорот серы имеет ряд характерных особенностей:

• обширный резервный фонд в почвах и меньший — в атмосфере;
• ключевая роль в быстро обменивающемся фонде микроорганизмов, выполняющих определенную работу в окислении или восстановлении;
• микробная регенерация из глубоководных отложений, в результате которой вверх движется газовая фаза (H₂S);
• взаимодействие геохимических и метеорологических процессов с биологическими процессами;
• взаимодействие воздуха, воды и почвы в регуляции круговорота в глобальном масштабе.

Основная доступная  форма серы — SO₄ — восстанавливается автотрофами и включается в белки. Для растений серы требуется меньше, чем азота и фосфора, поэтому лимитирующим фактором она бывает реже.

Тем не менее круговорот серы — ключевой в общем процессе продуцирования и разложения биомассы. Круговороты различных элементов могут оказывать взаимное влияние друг на друга. Например, при образовании в осадках сульфидов железа фосфор из нерастворимых соединений переходит в растворимые.

В последнее время  на круговороты серы все большее  влияние оказывает промышленное загрязнение атмосферы. Особенно токсичны соединения серы — в форме SO₂, которые являются промежуточными продуктами круговоротов серы. В большинстве местообитаний концентрация серы невелика, но в связи с неумеренным сжиганием топлива содержание в воздухе соединений SO₂, особенно в крупных промышленных центрах, увеличилось до такой степени, что сера представляют опасность для важных биотических компонентов экосистем.

Основным источником сернистого газа — продукты сжигания угля. Особенно большой вред наносит SO₂ растениям. Реагируя с водяным паром, он образует слабую серную кислоту, которая выпадает с осадками, известными как «кислотные дожди». Попав на листовую поверхность, H₂SO₄ вызывает химические ожоги, что снижает фотосинтезирующую поверхность растений.

Круговорот  кислорода в биосфере

Кислород является наиболее распространенным элементом на Земле. В морской воде содержится 85,82% кислорода, в атмосферном воздухе 23,15% по весу или 20,93% по объему, а в земной коре 47,2% по весу. Такая концентрация кислорода  в атмосфере поддерживается постоянной благодаря процессу фотосинтеза. В  этом процессе зеленые растения под  действием солнечного света превращают диоксид углерода и воду в углеводы и кислород.

Главная масса кислорода  находится в связанном состоянии; количество молекулярного кислорода  в атмосфере оценивается в 1,5 х 10^15 т, что составляет всего лишь 0,01% от общего содержания кислорода  в земной коре. В жизни природы  кислород имеет исключительное значение. Кислород и его соединения незаменимы для поддержания жизни. Они играют важнейшую роль в процессах обмена веществ и дыхании. Кислород входит в состав белков, жиров, углеводов, из которых «построены» организмы; в человеческом организме, например, содержится около 65% кислорода.

Большинство организмов получают энергию, необходимую для выполнения их жизненных функций, за счет окисления  тех или иных веществ с помощью  кислорода. Убыль кислорода в  атмосфере в результате процессов  дыхания, гниения и горения возмещается  кислородом, выделяющимся при фотосинтезе. Вырубка лесов, эрозия почв, различные  горные выработки на поверхности  уменьшают общую массу фотосинтеза  и снижают круговорот на значительных территориях. Наряду с этим, мощным источником кислорода является, по-видимому, фотохимическое разложение водяного пара в верхних слоях атмосферы  под влиянием ультрафиолетовых лучей  солнца.

Таким образом, в природе  непрерывно совершается круговорот кислорода, поддерживающий постоянство  состава атмосферного воздуха. Кроме описанного выше круговорота кислорода в несвязанном виде, этот элемент совершает еще и важнейший круговорот, входя в состав воды. Круговорот воды (H2O) заключается в испарении воды с поверхности суши и моря, переносе ее воздушными массами и ветрами, конденсации паров и последующее выпадение осадков в виде дождя, снега, града, тумана.

Круговорот  углекислого газа в биосфере

Поступление углекислого  газа в атмосферу происходит в  результате дыхания, горения, разложения веществ. Поглощение же из атмосферы  — только в результате фотосинтеза. Кислород, наоборот, поступает в  атмосферу только за счет фотосинтеза, а потребляется на дыхание, горение, окислительные процессы. За 6—7 лет  из атмосферы поглощается на фотосинтез весь углекислый газ, а за 400 лет —  из атмосферы и гидросферы.

Большие и малые круговороты  тесно взаимосвязаны друг с другом: малые круговороты являются составной  частью больших. До тех пор, пока связывание элементов биосферы и их возвращение в окружающую среду стабильно, биосфера как система функционирует также стабильно. Достаточно нарушить динамический баланс между расходованием и поступлением элементов, как в биосфере начнут происходить необратимые изменения. Известный французский физиолог К.Бернар (1813—1878) говорил: «Жизнь может быть только там, где есть совместно и синтез, и органическое разрушение.

В глобальном масштабе биохимические  круговороты воды и углекислого газа имеют, самое важное значение для человечества. Для биохимических круговоротов характерно наличие в атмосфере небольших, но подвижных фондов. Атмосферный фонд СО₂ в круговороте, по сравнению с запасами углерода в океанах, ископаемом топливе и других резервуарах земной коры, относительно невелик. Существуют разные оценки влияния деятельности человека на обогащение атмосферы СО₂ однако все авторы сходятся во мнении, что основными накопителями углерода являются леса, так как в биомассе лесов содержится в 1,5 раза, а в гумусе, содержащемся в почве, — в 4 раза больше СО₂, чем в атмосфере.

Растения — хороший  регулятор содержания углекислого газа в атмосфере. Для большинства растений характерно увеличение интенсивности фотосинтеза при повышенном содержании углекислого газа в воздухе. Фотосинтезирующий «зеленый пояс» Земли и карбонатная система моря поддерживают постоянный уровень углекислого газа в атмосфере. Однако стремительное увеличение потребления горючих ископаемых, а также уменьшение поглотительной способности «зеленого пояса» приводят к тому, что содержание СО₂ в атмосфере постепенно растет. Как и на круговорот углекислого газа, деятельность человека оказывает влияние на круговорот воды. С энергетической точки зрения можно выделить две части круговорота СО2: «верхнюю», которая приводится в движение Солнцем, «нижнюю», в которой выделяется энергия.