Большой геологический круговорот веществ. Малый биологический (географический) круговорот веществ

17. Большой геологический и малый биологический круговорот веществ

Большой геологический круговорот веществ. Малый биологический (географический) круговорот веществ

Солнечная энергия на Земле вызывает два круговорота веществ: большой (геологический), наиболее ярко проявляющийся в круговороте воды и циркуляции атмосферы, и малый, биологический (биотический), развивающийся на основе большого и состоящий в непрерывном, циклическом, но неравномерном во времени и пространстве, и сопровождающийся более или менее значительными потерями закономерного перераспределения вещества, энергии и информации в пределах экологических систем различного уровня организации. Оба круговорота взаимно связаны и представляют как бы единый процесс.

Геологический круговорот длится миллионы лет. Горные породы разрушаются, выветриваются и потоками вод сносятся в Мировой океан, где образуют мощные морские напластования. Часть химических соединений растворяется в воде или потребляется биоценозом.

Крупные медленные геоктонические изменения, процессы, связанные с опусканием материков и поднятием морского дна, перемещение морей и океанов в течение длительного времени приводят к тому, что эти напластования возвращаются на сушу и процесс начинается вновь.

Биологический круговорот, являясь частью большого, происходит на уровне биогеоценоза и заключается в том, что питательные вещества почвы, воды, воздуха аккумулируются в растениях, расходуются на создание их массы и жизненные процессы в них. Продукты распада органического вещества под воздействием бактерий вновь разлагаются до минеральных компонентов, доступных растениям, и вовлекаются ими в поток вещества.

Взаимодействие абиотических факторов и живых организмов экосистемы сопровождается непрерывным круговоротом вещества между биотопом и биоценозом в виде чередующихся то органических, то минеральных соединений. Обмен химических элементов между живыми организмами и неорганической средой, различные стадии которого происходят внутри экосистемы, называют биогеохимическим круговоротом, или биогеохимическим циклом.

Существование подобных круговоротов создает возможность для саморегуляции (гомеостаза) системы, что придает экосистеме устойчивость: удивительное постоянство процентного содержания различных элементов.

Основные биохимические круговороты.

Круговорот воды

Около трети поступающей на Землю энергии Солнца затрачивается на приведение в движение круговорота воды. Море теряет из-за испарения воды больше, чем получает с осадками. На суше ситуация противоположная. То есть значительная часть осадков, поддерживающих экосистемы суши, приходит к нам с моря.

Однако немалый вклад в круговорот воды вносит и растительность данной конкретной местности, особенно в областях, находящихся в глубине континента, или же «экранированных» от моря грядой гор.

Дело в том, что вода, поступающая в растения из почвы, почти полностью (97-99 %) испаряется через листья. Это называется транспирацией.

Испарение охлаждает листья и способствует движению в растениях биогенных элементов.

Круговорот углерода

Углерод является одним из самых необходимых для жизни компонентов. В состав органического вещества он включается в процессе фотосинтеза. Затем основная его масса поступает в пищевые цепи животных и накапливается в их телах в виде различного рода углеводов.

Главную роль в круговороте углерода играет атмосферный и гидросферный фонды углекислого газа СО2. Этот фонд пополняется при дыхании растений и животных, а также при разложении мертвой органики. Некоторая часть углерода ускользает из круговорота в захоронения.

Однако человек в последнее время достаточно успешно разрабатывает эти захоронения, возвращая в круговорот жизни углерод и другие важные для жизни элементы, накопленные за миллионы лет.

Фотосинтезирующий зеленый пояс и карбонатная система моря поддерживают постоянный уровень СО2 в атмосфере.

Круговорот азота

Азот входит в состав аминокислот, являющихся основным строительным материалом для белков. Основным источником азота является атмосфера, откуда в почву, а затем в растения азот попадает только в форме нитратов, которые являются результатом деятельности организмов-азотофиксаторов (отдельные виды бактерий, сине-зеленых водорослей и грибов.

Второй источник азота для растений – результат разложения органики, в частности белков. При этом, в начале образуется аммиак, который преобразуется бактериями-нитрификаторами в нитраты и нитриты.

Возвращение азота в атмосферу происходит в результате деятельности бактерий-денитрификаторов, разлагающих нитраты до свободного азота и кислорода.

Круговорот фосфора

Фосфор является необходимым компонентом нуклеиновых кислот (РНК и ДНК), выполняющих в биосистемах функции, связанные с записью, хранением и чтением информации о строении организма. Фосфор – достаточно редкий элемент. Фосфор встречается лишь в немногих химических соединениях.

Он циркулирует, переходя из органики в фосфаты, которые могут затем использоваться растениями. Особенность круговорота фосфора в том, что в нем отсутствует газообразная фаза. То есть основным резервуаром фосфора является не атмосфера, а горные породы и другие отложения, образовавшиеся в прошлые эпохи.

Породы эти подвергаются эрозии, высвобождая фосфаты в экосистемы. После неоднократного потребления его организмами суши и моря фосфор в конечном итоге выводится в донные осадки. Это грозит дефицитом фосфора. В прошлом морские птицы, по-видимому, возвращали фосфор в круговорот.

Сейчас основным поставщиком фосфора является человек, вылавливая большое количество морской рыбы, а также перерабатывающий донные отложения в фосфаты.

Круговорот серы

Сера является элементом, необходимым для синтеза многих белков. Для биосистем требуется очень мало серы.

Круговорот серы осуществляется через воздух, воду и почву. Сульфат SO4 аналогично нитрату и фосфату – основная доступная форма серы, которая восстанавливается растениями и включается в белки.

Затем она проходит по пищевым цепям экосистем и возвращается в круговорот с экскрементами животных.

Основными источниками поступления соединений серы в биосферу являются производственная деятельность человека (сжигание угля и серосодержащих углеводородов), вулканы, разложение органики и распад серосодержащих руд и минералов.

Пути возврата элементов в круговорот:

  • через микробное разложение;
  • через экскременты животных;
  • прямой передачей от растения к растению в симбиозе;
  • физическими процессами (молния, ионизация и т.п.);
  • за счет энергии топлива (например, при промышленной фиксации азота);
  • автолиз (саморастворение) – высвобождение питательных веществ из остатков растений и экскрементов без участия микроорганизмов.

Если не разрушать природные механизмы рециркуляции и не отравлять их, то они в основном самопроизвольно реализуют возврат в круговорот воды и элементов питания. К сожалению, человек так ускоряет движение многих веществ, что круговороты становятся несовершенными или процесс теряет цикличность: в одних местах возникает недостаток, а в других – избыток каких-то веществ.

Источник: https://vseobiology.ru/pochvovedenie-s-osnovami-rastenivodstva/622-17-bolshoj-geologicheskij-i-malyj-biologicheskij-krugovorot-veshchestv

Материал для урока на тему

Большой геологический круговорот веществ. Малый биологический (географический) круговорот веществ

Круговорот веществ в природе

функция биосферы заключается в обеспечении круговорота химических элементов, который выражается в циркуляции веществ между атмосферой, почвой, гидро­сферой и живыми организмами.

Устойчивость биосферы поддерживается благодаря кру­говороту веществ и энергии. В природе при помощи солнечной энергии происходят гео­логический (большой) и биологический (малый) круго­вороты веществ.

Большой круговорот веществпроисходит при взаимодействии солнечной энергии сглу­бинной энергией Земли иосуществляет перераспределение ве­щества между биосферой и более глубокими горизонтами Зем­ли.

Осадочные горные породы, образованные за счет вывет­ривания магматических пород, в подвижных зонах земной коры вновь погружаются в зону высоких температур и дав­лений. Там они переплавляются и образуют магму.

После поднятия этих по­род на земную поверхность и действия процессов выветри­вания вновь происходит трансформация их в новые осадоч­ные породы. Символом круговорота веществ явля­ется спираль, а не круг.

Это означает, что новый цикл круговорота не повторяет в точности старый, а вносит что-то но­вое, что со временем приводит к весьма значительным из­менениям.

Наиболее легко проследить геологический круговорот веществ на примере воды.

Круговорот воды. С водной поверх­ности Земли воды испаряется гораздо больше, чем с суши. Осадков же выпадает больше над сушей, чем над водным пространством. Вода, попадая на землю, растворяет часть минеральных солей, выносит их в реки, озера и далее — снова в океан, уравнивая количество испаренной влаги и выпавших осадков.

В круговороте воды на Земле ежегодно участвует более 500 тыс. куб. км.

Благодаря круговороту воды происходит постепенное разрушение литосферы, компоненты которой переносятся в моря и океаны. Круговорот воды формирует природные условия на планете.

Цикл воды в биосфере до развития цивилизации был равновесным, океан получал от рек столько воды сколько расходовал ее при испарении. Если не менялся климат, то не мелели реки и не снижался уровень воды в озерах.

С развитием цивилизации этот цикл стал нарушаться, в результате полива сельскохозяйственных культур увеличилось испарение с суши.

Реки южных районов обмелели, загрязнение океана и появление на его поверхности нефтяной плёнки уменьшило количество воды, испаряемой океаном. Всё это ухудшает водоснабжение биосферы.

Более частыми становятся засухи, возникают очаги экологических бедствий, например, многолетняя катастрофическая засуха в зоне Сахеля.

Кроме того, и сама пресная вода, которая возвращается в океан и другие водоемы с суши, часто загрязнена. Практически непригодной для питья стала вода многих рек России.

Прежде неисчерпаемый ресурс — пресная чистая вода — становится исчерпаемым. Сегодня воды, пригодной для питья, промышленного производства и орошения, не хватает во многих районах мира.

Весь запас воды на Земле распадается и восстанавливается за 2 млн. лет.

Круговорот азота в биосфере ( Делвич, 1972)

Круговорот азота. Азот — один из самых важных для жизнедеятельности организмов элементов. Атмосфера в основном состоит из азота (его доля составляет 78%), но этот газ инертный. Растения поглощать свободный азот из атмосферы не могут.

Атмосферный азот усваивают азотфиксирующие бакте­рии и водоросли. Соединения азота из почвы по­ступают в растения и используются для построения белков. Эти растительные белки используют животные. После отмирания живых организмов гнилостные бактерии разлагают органические остатки до аммиака.

Хемосинтезирующие бактерии превращают аммиак в азотистую, затем в азотную кислоту.

Некоторое количество азота, благодаря деятельности денитрифицирующих бактериий, поступает обратно в воздух. Часть азота оседает в глубоководных отложениях и на длительный срок выключается из круговорота; эта по­теря компенсируется поступлением азота в воздух с вулка­ническими газами.

Человек нарушает равновесность цикла азота.

При распашке земель резко (примерно в 5 раз) снижается активность фиксации азота микроорганизмами и, напротив, активизируется деятельность разрушающих азотные соединения микроорганизмов-денитрификаторов.

В итоге уменьшается содержание азота в его основном хранилище – почве. Это ведет к снижению плодородия почв и продуктивности сельскохозяйственных экосистем.

Круговорот фосфора в бисфере ( Дювиньо, Танг, 1968)

Фосфор содержится в горных породах. В круговорот включается при естественном разрушении пород, либо при внесении на поля фосфорных удобрений. Растения поглощают фосфор из почвы, а животные, питающиеся этими растениями, накапливают его в своих тканях.

После смерти растений и животных микроорганизмы возвращают фосфор в почву. Однако не весь возвращенный в почву фосфор растения усваивают вновь. Часть его вымывается из почвы и по ручьям и рекам поступает в моря и океаны.

Из этих хранилищ фосфор почти не возвращается, лишь некоторую его часть выносят на сушу птицы, питающиеся рыбами. На птичьих базарах накапливается ценное фосфорное удобрение — гуано (птичий помет). Некоторое количество фосфора возвращается на сушу при рыбном промысле.

Вместе с выловом рыбы на сушу возвращается примерно 60 000 т элементарного фосфора, добывается же ежегодно 1—2 млн. т фосфорсодержащих пород.

В отличие от циклов воды, углерода и кислорода цикл фосфора открытый. С суши фосфор постоянно выносится в океан. Запасы фосфора в горных породах истощаются.

Таким образом, если ресурсы азота неисчерпаемы, запасы фосфора постоянно сокращаются.

Возникает проблема дефицита фосфора и в результате снижение урожайности сельскохозяйственных культур и продуктивности естественных экосистем. Решение проблемы — в устранении условий, ускоряющих вымывание фосфора.

Главное — это экономное расходование фосфорных удобрении и внесение удобрений такими способами, которые уменьшают их вымывание из почвы.

Круговорот серы в биосфере ( Рамад, 1981)

Сера входит в состав ряда аминокис­лот и также представляет собой жизненно важный элемент.

В наземных экосистемах сера поступает в растения из почвы в основном в виде сульфатов. В живых организмах сера содержится в белках, в виде ионов.

После гибели живых организмов часть серы восстанавливается в почве микроорганизмами до Н2Ѕ, другая часть окисляется до сульфатов и включается в круговорот.

Образовавшийся сероводород улетучивается в атмосферу, там окисляется и возвращается в почву с осадками.

Сжигание человеком топлива приводит к накоплению в атмосфере сернистого газа ЅО2, который реагируя с парами воды, выпадает на землю в виде кислотных дождей.

Цикл кислорода. Кислород выделяют зеленые растения в результате фотосинтеза, а поглощают его все живые организмы при дыхании. До появления цивилизации этот цикл также был равновесным.

Сегодня кислород используется при сжигании горючего в двигателях автомобилей, в топках тепловых: электростанций, в двигателях самолетов и ракет и т. д. Это дополнительное расходование кислорода может нарушить равновесие его цикла.

Пока биосфера справляется с вмешательством человека в цикл кислорода, его потери компенсируются зелеными растениями. При дальнейшем уменьшении площади лесов и сжигании всё большего количества топлива содержание кислорода в атмосфере начнет уменьшаться.

Основная доля кислорода вырабатывается растениями суши – почти 3/4, остальная часть – фотосинтезирующими организмами Мирового океана. Скорость круговорота кислорода – около 2 тыс. лет.

Круговорот углерода в биосфере ( Дювиньо, Танг, 1968)

Круговорот углерода. Углерод входит в состав всех живых организмов. В процессе фотосинтеза зеленые растения используют углерод из атмосферы для синтеза орга­нических соединений, а освободившийся кислород поступа­ет в атмосферу. Им дышат различные животные и растения, а конечный продукт дыхания — С02 — выделяется в атмо­сферу.

Главным резервуаром углерода являются леса, они содержат до 500 млрд. т этого элемента, что составляет 2/3 его запаса на Земле.

Человек извлекает из подземных кладовых нефть, уголь, сланцы, газ. При сжигании топлива повышается содержание диоксида углерода в атмосфере.

Пока это повышение незначительно, так как дополнительный диоксид углерода успевают использовать леса и фитопланктон океана.

Если площадь лесов будет и дальше сокращаться, а океан — загрязняться, то может произойти значительное увеличение концентрации диоксида углерода в атмосфере.

Кроме того, этотгаз поглощается водой океана. Растворяясь в водах Мирового океана С02 с помощью живых организмов либо химических реакций соединяется с кальцием и образует мощные толщи карбонатных пород. и образующиеся соединения захораниваются на его дне. Здесь его накапливается в 4 раза больше, чем заложено в продуктах фотосинтеза.

Скорость круговорота СО2 , т.е. время, за которое весь углекислый газ атмосферы проходит через живое вещество, составляет около 300 лет.

Контрольные вопросы

1. В чём заключается главная функция биосферы.

2. Какие круговороты происходят в природе?

3. Какое значение имеет большой геологический круговорот веществ?

4. Что является источником энергии и жизни на Земле?

5. Что понимают под круговоротом веществ?

6. Какие круговороты веществ выделяют?

7. Опишите основные черты каждого из круговоротов веществ.

Источник: https://infourok.ru/material-dlya-uroka-na-temu-geologicheskiybolshoy-krugovorot-veschestv-v-prirode-877539.html

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.