Структура основные типы биогеохимических циклов

Биогеохимические циклы. Структура биогеохимических циклов

Понятие о биогеохимических циклах

Необходимое для существования жизни на Земле вещество, как правило, может использоваться неоднократно. Именно этот процесс среди биологических наук и принято называть круговоротом веществ или биогеохимическими циклами.

Основным поставщиком энергии на нашу планету является Солнце, а механизмы которые обеспечивают вовлечение веществ в круговорот, преимущественно основаны на биологических процессах.

Структура биогеохимических циклов

В круговороте веществ принято выделять два фонда:

резервный – представляющий собой большую массу медленно движущихся веществ, преимущественно в небиологической сфере;
обменный – меньший по размеру, но более активный, характерной особенностью которого является быстрый обмен между организмами и окружающей средой.

Замечание 1

Как правило, резервный фонд хранится в относительно рассеянном и подвижном виде, доступ к которому имеет большинство живых организмов, независимо от их местоположения.

Для обеспечения круговорота веществ, как известно, лучше всего подходит атмосфера и гидросфера, которые выполняют роль так называемых буферных зон, соединяющих друг с другом различные формы жизни. Следует отметить, что почва является менее подвижной зоной. Именно буферные зоны источниками питательных веществ для организмов, которые пополняют их своими продуктами жизнедеятельности.

Как правило, то, что является «отходами» для одной формы жизни, может послужить пищей для другой формы жизни. В наибольшей степени с резервным фондом связаны растения, получающие всё, что им необходимо из воздуха, воды и почвы. Меньше всего данная связь представлена у животных, которые, как правило, не способны к синтезу органики из рассеянных компонентов резервного фонда, и существование которых преимущественно протекает за счёт обменного фонда, который в большей своей массе сосредоточен в живом веществе.

Основные типы биогеохимический циклов

В экологии биогеохимические циклы принято разделять на два типа:

круговорот газообразных веществ, резервный фонд которых сосредоточен в атмосфере или гидросфере;
осадочный цикл, резервный фонд которого сосредоточен в земной коре.

Круговороты газообразных веществ являются более совершенными. Причиной тому является наличие большого обменного фонда и, как следствие, способности к быстрой саморегуляции.

Что касается круговорота осадочного цикла, то он является менее совершенным, но более инертным, в связи с тем, что основная масса вещества сосредоточена в резервном фонде земной коры в недоступном живым организмам виде. Отличительной особенностью осадочных круговоротов является то, что они легко нарушаются от различного рода воздействий и часть обмениваемого материала выходит из круговорота.

Вернуться в круговорот эта часть материала может лишь в результате геологических процессов или путем извлечения живым веществом, однако извлечь необходимые для живых организмов вещества из литосферы гораздо сложнее, чем из атмосферы.

Замечание 2

Как правило, часть вещества в процессе круговорота выходит из него в захоронения в виде угля, нефти, торфа, осадочных пород и т.д. Однако в результате протекания тектонических и геологических процессов, а также вследствие антропогенной деятельности большинство веществ вновь вовлекается в круговорот.

Для обеспечения процесса синтеза вещества клеток живым организмам необходимо примерно 40 элементов, из которых самыми важными являются углерод, азот, водород, кислород, фосфор и сера.

Источник

Химические элементы циркулируют в биосфере по характерным путям из внешней среды в организмы и опять во внешнюю среду. Эти в большей или меньшей степени замкнутые пути называются биогеохимическими циклами. «Био» относится здесь к живым организмам, а «гео» – к горным породам, воздуху и воде. Геохимия изучает химический состав Земли и миграцию элементов между различными частями земной коры и океанами, реками и другими водными массами. Концепцию ландшафтной геохимии предложил русский ученый Б.Б. Полынов (1937); эта концепция рассматривает роль химических элементов в синтезе и распаде различных веществ, причем особое внимание в ней уделяется процессу выветривания. В свою очередь биогеохимия – термин, впервые предложенный другим русским ученым, В.И. Вернадским, но закрепившийся после ранних монографий Хатчинсона (Hutchinson, 1943, 1944, 1950), – занимается изучением обмена веществ (т.е. их движением в обе стороны) между живыми и неживыми компонентами биосферы.

В каждом круговороте различают две засти, или два «фонда» (рис. 1):

1) резервный фонд – большая масса медленно движущихся веществ, в основном не связанных с живым веществом,

2) подвижный, или обменный, фонд – меньший, но более активный, непосредственно связанный с живым веществом. Для него характерен быстрый обмен между организмами и их непосредственным окружением.

Иногда резервный фонд называют «недоступным», а активный циркулирующий фонд – «доступным». Такие термины допустимы, если только не понимать их слишком буквально. Любой атом, находящийся в резервном фонде, не обязательно все время недоступен для организмов, так как между доступным и недоступным фондами существует постоянный медленный обмен.

Если иметь в виду биосферу в целом, то биогеохимические циклы можно подразделить на два основных типа:

1) круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере или гидросфере. Они обладают способностью быстро компенсировать различные нарушения. Говорят, что они в глобальном масштабе «хорошо забуференны», поскольку их способность приспосабливаться к изменениям велика.

Например, избыток СО2, накопившийся в каком-либо месте в связи с усиленным окислением или горением, обычно быстро рассеивается воздушными потоками; кроме того, усиленное образование СO2 компенсируется усиленным ее потреблением растениями и превращением в карбонаты в море.

2) осадочный цикл с резервным фондом в земной коре. Обычно они гораздо менее подвержены самоконтролю и легче нарушаются в результате местных пертурбаций, потому что в этих случаях основная масса вещества сосредоточена в относительно малоактивном и малоподвижном резервном фонде. Если «спуск» в литосферу совершается быстрее, чем обратный «подъем», то какая-то часть обменного материала на длительное время выбывает из круговорота. Механизмы, обеспечивающие возвращение в круговорот, во многих случаях основаны главным образом на биологических процессах.

Усилия по охране природных ресурсов в конечном счете направлены на то, чтобы превратить антропогенные ациклические процессы в циклические. Основной целью общества должно стать «возвращение веществ в круговорот». Начать можно было бы с воды, так как, если мы научимся восстанавливать и поддерживать круговорот воды, мы сумеем взять под контроль и те элементы питания, которые движутся вместе с водой.

Источник

Биогеохимический цикл (круговорот веществ) – система незамкнутых и необратимых круговоротов веществ в биотических (биосфера) и абиотических (литосфера, атмосфера и гидросфера) частях Земли. Этот повторяющийся процесс взаимосвязанного преобразования и перемещения веществ в природе имеет циклический характер и происходит при обязательном участии живых организмов и часто нарушается человеческой деятельностью. Является основным свойством, характерной чертой биосферы.

Принцип круговорота веществ в природе сформулирован в середине XIX века Ю. Либихом и Ж. Б. Буссенго[1]. Термин «биогеохимический цикл» был введён в 1910 годах В. И. Вернадским, разработавшим теоретические основы биогеохимической цикличности в учении о биосфере и трудах по биогеохимии.

Движущими силами биогеохимических циклов служит энергия Солнца и деятельность «живого вещества» (совокупности всех живых организмов), приводящие к перемещению огромных масс химических элементов, концентрированию и перераспределению аккумулированной в процессе фотосинтеза энергии. Используя неорганические вещества, автотрофы (зелёные растения) за счёт энергии Солнца создают органические вещества, которые другими живыми существами (гетеротрофами-потребителями и деструкторами) разрушается, с тем чтобы продукты этого разрушения могли быть использованы растениями для новых органических синтезов. Благодаря круговороту веществ возможно длительное существование и развитие жизни при ограниченном запасе доступных химических элементов.

Нормальные (ненарушенные) биогеохимические циклы в биосфере не являются замкнутыми, хотя степень обратимости годичных циклов важнейших биогенных элементов достигает 95-98%. Неполная обратимость (незамкнутость) является одним из важнейших свойств биогеохимических циклов, имеющая планетарное значение. Процессы превращения вещества имеют определённое поступательное движение, поскольку не происходит полного повторения циклов, всегда имеются те или иные изменения в количестве и составе образующихся веществ. Часть вещества в повторяющихся процессах превращения рассеивается и отвлекается в частные круговороты или захватывается временными равновесиями, а другая часть, которая возвращается к прежнему состоянию, имеет уже новые признаки.

Важная роль в глобальном круговороте веществ принадлежит циркуляции воды между океаном, атмосферой и верхними слоями литосферы. Вода испаряется и воздушными течениями переносится на значительные расстояния. Выпадая на поверхность суши в виде осадков, она способствует разрушению горных пород, делая их доступными для растений и микроорганизмов, размывает верхний почвенный слой и проникает вместе с растворёнными в нём химическими соединениями и взвешенными органическими частицами в океаны и моря.

Наибольшее значение в биогенном цикле имеют такие циклы:

круговорот воды
круговорот азота
круговорот углерода
круговорот серы
круговорот фосфора

Примечания[править | править код]

↑ Биологический энциклопедический словарь под ред. М. С. Гилярова. – М.: «Советская энциклопедия», 1986. – С. 66 (статья «Биология»)

Литература[править | править код]

Биогеохимические циклы // Биологический энциклопедический словарь. Гл. ред. М. С. Гиляров; Редкол.: А. А. Бабаев, Г. Г. Винберг, Г. А. Заварзин и др. – 2-е изд., исправл. – М.: Сов. Энциклопедия, 1986.
Круговорот веществ // Большая советская энциклопедия. – М.: Советская энциклопедия. 1969-1978.

Ссылки[править | править код]

Биогеохимические циклы…

Источник

Мы поможем в написании ваших работ!

ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?

В экосистемах очень важна роль биогеохимических циклов. Биогенные элементы – C, O2, N2, P, S, CO2, H2O и другие – в отличие от энергии удерживаются в экосистемах и совершают непрерывный круговорот из внешней среды в организмы и обратно во внешнюю среду. Эти замкнутые пути называют биогеохимическими циклами. В каждом круговороте различают два фонда: резервный, включающий большую массу движущихся веществ, в основном небиологических компонентов, и подвижный, или обменный, фонд – по характеру более активный, но менее продолжительный, отличительной особенностью которого является быстрый обмен между организмами и их непосредственным окружением.

Биогеохимические циклы можно подразделять на два типа: 1) круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере и гидросфере (океан); 2) осадочный цикл с резервным фондом в земной коре.

Из 90 с лишним элементом, встречающихся в природе, 30-40 необходимы для живых организмов. Человек уникален не только тем, что его организм нуждается в 40 элементах, но и тем, что в своей деятельности использует почти все другие имеющиеся в природе элементы.

Круговорот азота. Азот составляет около 80% атмосферного воздуха и является крупнейшим резервуаром и предохранительным клапаном атмосферы. Однако большинство организмов не могут усваивать азот из воздуха. Между тем азот участвует в построении всех белков и нуклеиновых кислот. Усваивать азот из воздуха способны только некоторые организмы – бактерии, которые существуют в симбиозе с бобовыми растениями (горох, фасоль, соя). Они поселяются на корнях бобовых растений, образуя клубеньки, в которых и происходит химическая фиксация азота. Азот могут усваивать также сине-зеленые водоросли, называемые цианобактериями. Они образуют симбиоз с плавающим папоротником, который растет на заливаемых водой рисовых полях и до высадки рассады риса удобряет эти поля азотом. Первый этап фиксации атмосферного азота приводит к образованию аммиака и называется аммонификацией. Аммиак используется растениями для синтеза аминокислот, из которых состоят белки. Второй этап фиксации азота микроорганизмами – нитрификация, при этом образовавшийся аммиак преобразуется в соли азотной кислоты – нитраты. Нитраты усваиваются корнями растений и транспортируются в листья, где происходит синтез белков. Процесс разложения белков, осуществляемый особой группой бактерий, называется денитрификацией. Распад идет сначала с образованием нитратов, потом аммиака и, наконец, молекулярного азота. Содержание азота в живых тканях составляет около 3% его содержания в обменных фондах экосистем. Общее время круговорота азота – примерно 100 лет.

Круговорот углерода. Круговороты углекислоты и воды в глобальном масштабе – самые важные для человечества биогеохимические круговороты.

В круговороте СО2 атмосферный фонд невелик по сравнению с запасами углерода в океанах, ископаемом топливе и других резервуарах земной коры. До наступления индустриальной эры потоки углерода между атмосферой, материками и океанами были сбалансированы. Но в ХХ в. содержание СО2 постоянно растет в результате новых техногенных поступлений (сжигание горючих ископаемых, деградация почвенного слоя, сведение лесов и т.д.). В 1800 г. в атмосфере Земли содержалось 0,29% СО2; в 1958 – 0,315%, а к 1980 г. его содержание выросло до 0,335%. Если концентрация СО2 вдвое превысит доиндустриальный уровень, что может случиться в середине ХХI в., то температура поверхности Земли и нижних слоев атмосферы в среднем повысится на 30. В результате подъем уровня моря и перераспределение осадков могут погубить сельское хозяйство.

Рис.1. Основные биохимические этапы круговорота азота

Биологический круговорот углерода достаточно прост; в нем участвуют только органические соединения и СО2. Весь потребленный в процессе фотосинтеза углерода включается в углеводы, а в процессе дыхания весь углерод, содержащийся в органических соединениях, превращается в СО2. Растения потребляют ежегодно около 100 млрд.т углерода, 30 млрд.т возвращаются в атмосферу в результате дыхания растений. Остальные 70 млрд.т обеспечивают дыхание и продукцию животных, бактерий и грибов в различных трофических цепях. Растения и животные ежегодно пропускают через себя 0,25-0,30% углерода, содержащегося в атмосфере и океанах. Весь обменный фонд углерода совершает круговорот каждые 300-400 лет.

Кроме СО2 в атмосфере присутствует в небольших количествах окись углерода – СО (примерно 0,1 части на миллион). Однако в городах с сильным автомобильным движением содержание СО может достигать 100 частей на миллион, что представляет уже угрозу для здоровья человека. Для сравнения можно привести другой пример: курильщик, потребляющий в день пачку сигарет, получает до 400 частей на миллион, что часто является причиной анемии и других сердечно – сосудистых заболеваний.

Другое соединение углерода в атмосфере – метан (СН4). Его содержание составляет 1,6 частей на миллион. Считается, что метан поддерживает стабильность озонового слоя в атмосфере.

Круговорот воды.Вода составляет значительную часть живых существ: в теле человека – по весу 60%, а в растительном организме достигает 95%. На круговорот воды на поверхности Земли затрачивается около трети всей поступающей на Землю солнечной энергии. Испарение с водных пространств создает атмосферную влагу. Влага конденсируется в форме облаков, охлаждение облаков вызывает осадки в виде дождя и снега; осадки поглощаются почвой или стекают в моря и океаны.

Для человечества важны фазы круговорота в пределах экосистем. Здесь происходят четыре процесса:

• перехват. Растительность перехватывает часть выпадающей в осадках воды до того, как она достигает почвы. Перехваченная вода испаряется в атмосферу. Величина перехвата в умеренных широтах может достигать 25% общей суммы осадков, это – физическое испарение;

• транспирация – биологическое испарение воды растениями.

Это не дождевая вода, а вода, заключенная в растении, т.е. экосистемная. Растения, потребляя около 40% общего количества осадков, играют главную роль в круговороте воды;

• инфильтрация – просачивание воды в почве. При этом часть инфильтрованной воды задерживается в почве тем сильнее, чем значительнее в ней коллоидальный комплекс, соответствующий накоплению в почве перегноя;

• сток. В этой фазе круговорота избыток выпавшей с осадками воды стекает в моря и океаны.

Отличие циклов углерода и азота от круговорота воды состоит в том, что в экосистемах два названных элемента накапливаются и связываются, а вода проходит через экосистемы почти без потерь. Биосфера ежегодно использует на формирование биомассы 1% воды, выпавшей в виде осадков.

Круговорот фосфора.Фосфор – один из наиболее важных биогенных компонентов. Он входит в состав нуклеиновых кислот, клеточных мембран, систем аккумуляции и переноса энергии, костной ткани и дентина. Круговорот фосфора всецело связан с деятельностью организмов.

В отличие от азота и углерода резервуаром фосфора служат не атмосфера, а горные породы и отложения, образовавшиеся в прошлые геологические эпохи. Круговорот фосфора – типичный пример осадочного цикла.

Круговорот второстепенных элементов.Второстепенные элементы подобно жизненно важным мигрируют между организмами и средой, хотя и не представляют ценности для организмов. Но в окружающую среду часто попадают побочные продукты промышленности, содержащие высокие концентрации тяжелых металлов, радиоактивные элементы и ядовитые органические соединения.

Радиоактивный Sr-90 крайне опасен для человека и животных. По химическим свойствам он похож на кальций и поэтому, попав в организм, накапливается в костях и оказывается в опасном контакте с костным мозгом – кровеносной тканью.

Радиоактивный Cs-137 – по свойствам схож с калием и поэтому быстро циркулирует по пищевым цепям.

Sr-90 и Cs-137 – новые вещества, которые не существовали в природе до того, как человек расщепил атом. Они характеризуются длительными периодами полураспада. Аккумуляция этих радиоактивных изотопов в организме человека создает постоянный источник облучения, приводящего к канцерогенезу.

Для того, чтобы количественно определить повторно используемую часть вещества в обороте, предложен коэффициент рециркуляции – отношение суммарных количеств вещества, циркулирующих между разными отделами системы, к общему потоку вещества через всю систему: CI = TSTс/TST, где СI – коэффициент рециркуляции, TSTC – рециркулируемая доля потока через систему и TST – общий поток вещества через систему. .

Элементы, которые человек считает ценными (платина, золото), повторно используются на 90% и более. Однако коэффициент рециркуляции энергии равен нулю.

Вопросы

1. Что такое биогеохимические циклы?

2. Как происходит круговорот биогенных элементов?

3. Что такое коэффициент рециркуляции?

4. Какие существуют фазы круговорота в пределах экосистем?

5. Круговороты каких соединений особенно важны для человечества?

Тесты

1. Что такое биогеохимические циклы?

а) круговорот веществ из внешней среды в организмы;

б) замкнутый круговорот биогенных элементов;

в) непрерывный круговорот биогенных элементов из внешней среды в организмы и обратно во внешнюю среду.

2. Дайте определение природной среды.

а) совокупность объектов природы;

б) совокупность условий природы;

в) совокупность объектов и условий природы, где происходит деятельность какого-либо субъекта.

3. Охарактеризуйте резервный фонд круговорота веществ.

а) фонд, включающий большую массу движущихся веществ;

б) фонд, включающий массу движущихся биологических компонентов;

в) фонд, включающий большую массу движущихся небиохимических компонентов.

4. Охарактеризуйте подвижный (обменный) фонд круговорота веществ.

а) фонд, отличительной особенностью которого является быстрый обмен между организмами;

б) фонд, включающий большое количество биогенных элементов;

в) фонд, отличительной особенностью которого является быстрый обмен между организмами и их непосредственным окружением.

5. Что показывает коэффициент рециркуляции?

а) рециркулируемую долю потока через систему;

б) общий поток вещества через систему;

в) отношение суммарных количеств вещества, циркулирующих между разными отделами системы, к общему потоку вещества через всю систему.

Источник