Sledovat vztah mezi živým a neživá příroda, je nutné pochopit, jak probíhá koloběh látek v biosféře.
Význam
Koloběh látek je opakovaná účast stejných látek v procesech probíhajících v litosféře, hydrosféře a atmosféře.
Existují dva typy látkových cyklů:
- geologický(velký cyklus);
- biologický(malý kroužek).
Hnací silou geologického cyklu látek je vnější ( sluneční záření, gravitace) a vnitřní (energie nitra Země, teplota, tlak) geologické procesy, biologické - činnost živých bytostí.
Velký cyklus probíhá bez účasti živých organismů. Pod vlivem vnějších a vnitřních faktorů se reliéf formuje a vyhlazuje. V důsledku zemětřesení, zvětrávání, sopečných erupcí, pohybu zemská kůra vznikají údolí, hory, řeky, kopce, tvoří se geologické vrstvy.
Rýže. 1. Geologický cyklus.
K biologickému oběhu látek v biosféře dochází za účasti živých organismů, které přeměňují a přenášejí energii podél potravního řetězce. Stabilní systém interakce mezi živými (biotickými) a neživými (abiotickými) látkami se nazývá biogeocenóza.
TOP 3 článkykteří spolu s tím čtou
Aby došlo k cirkulaci látek, Musí být splněno několik podmínek:
- přítomnost přibližně 40 chemických prvků;
- přítomnost sluneční energie;
- interakce živých organismů.
Rýže. 2. Biologický cyklus.
Koloběh látek nemá konkrétní výchozí bod. Proces je kontinuální a jedna fáze neustále přechází do druhé. Cyklus můžete začít zvažovat z jakéhokoli bodu, podstata zůstane stejná.
Obecný cyklus látek zahrnuje následující procesy:
- fotosyntéza;
- metabolismus;
- rozklad.
Rostliny, které jsou producenty v potravním řetězci, přeměňují sluneční energii na organické látky, které se s potravou dostávají do těla rozkladačů. Po smrti dochází k rozkladu rostlin a živočichů za pomoci konzumentů – bakterií, hub, červů.
Rýže. 3. Potravní řetězec.
Koloběh látek
Podle umístění látek v přírodě se rozlišují dva typy oběhu:
- plyn- vyskytuje se v hydrosféře a atmosféře (kyslík, dusík, uhlík);
- sedimentární- vyskytuje se v zemské kůře (vápník, železo, fosfor).
Koloběh hmoty a energie v biosféře je popsán v tabulce na příkladu několika prvků.
|
Látka |
Cyklus |
Význam |
|
Velký kruh. Vypařuje se z povrchu oceánu nebo země, setrvává v atmosféře, padá jako srážky, vrací se do vodních ploch a na povrch Země. |
Utváří přírodní a klimatické podmínky planety |
|
|
Na souši existuje malý koloběh látek. Dostávají je výrobci a předávají je rozkladačům a spotřebitelům. Vráceno jako oxid uhličitý. V oceánu je velký koloběh. Zadržen jako sediment |
Je základem všech organických látek |
|
|
Bakterie vázající dusík nacházející se v kořenech rostlin vážou volný dusík z atmosféry a fixují jej v rostlinách ve formě rostlinný protein který prochází potravním řetězcem |
Obsahuje bílkoviny a dusíkaté báze |
|
|
Kyslík |
Malý cyklus - vstupuje do atmosféry během fotosyntézy a je spotřebován aerobními organismy. Great Gyre - vznikl z vody a ozónu pod vlivem ultrafialového záření |
Podílí se na oxidačních a dýchacích procesech |
|
Nachází se v atmosféře a půdě. Absorbován bakteriemi a rostlinami. Někteří se usadí na mořském dně |
Nezbytné pro stavbu aminokyselin |
|
|
Velké a malé gyry. Obsaženo v horninách, konzumováno rostlinami z půdy a přenášeno potravním řetězcem. Po rozkladu organismů se vrací zpět do půdy. V nádrži je absorbován fytoplanktonem a přenášen na ryby. Poté, co ryby uhynou, některé zůstanou v kostře a usadí se na dně |
Obsahuje proteiny a nukleové kyseliny |
Zastavit koloběh látek v přírodě znamená narušit běh života. Aby život mohl pokračovat, energie musí projít cyklem za cyklem.
co jsme se naučili?
Z hodiny jsme se dozvěděli o podstatě velkého a malého koloběhu látek v biosféře, interakci neživé přírody s živými organismy a také jsme prozkoumali koloběh vody, uhlíku, dusíku, kyslíku, síry a fosforu.
Test na dané téma
Vyhodnocení zprávy
Průměrné hodnocení: 4.5. Celkem obdržených hodnocení: 129.
Definice 1
Energie je komplexním měřítkem pohybu a interakce všech druhů hmoty.
Na rozdíl od látek, které mohou cirkulovat v různých blocích biosféry, být znovu použity a tvořit cykly, energie je konstantní jednosměrný tok. V takových tocích může být energie přeměněna z jedné formy na druhou, dokud není rozptýlena do prostoru jako teplo.
Celou biosféru lze považovat za jedinou prostorovou formaci schopnou absorbovat energii z vnějšího prostoru a směrovat ji k vnitřní práci.
Živé organismy jsou hlavními spotřebiteli a převaděči energie v biosféře. Například výrobci přeměňují energii volného záření na chemicky vázanou energii, která následně přechází z jedné struktury biosféry do druhé. Každý energetický přechod je doprovázen jeho přeměnou na teplo a disipací do prostředí. Při přenosu energie od výrobců ke spotřebitelům I. řádu je účinnost přenosu pouze 10 %.
Efektivnější je přenos energie od spotřebitelů prvního ke spotřebitelům druhého řádu – 20 %. Tok energie končí u rozkladačů, díky nimž se energie buď nakonec rozptýlí ve formě tepla, nebo se akumuluje v mrtvé organické hmotě.
Cykly látek v biosféře
- velký biologický (charakteristickým rysem velkého koloběhu látek je jeho převážně horizontální směr. Vyskytuje se výhradně mezi pevninou a mořem, např. koloběh vody);
- malý biologický (biologický cyklus mezi rostlinami a půdou má převážně vertikální směr migrace);
- chemická (migrace látek v chemickém cyklu je určována dvěma úzce souvisejícími a vzájemně závislými procesy, které stojí proti sobě. Jedná se o syntézu živé hmoty zelenými rostlinami z prvků neživé přírody vlivem sluneční energie a mineralizací detritu, as v důsledku čehož se uvolňuje energie).
Poznámka 1
Vznik živé hmoty a její rozklad jsou dvě strany jediného procesu zvaného biologický cyklus chemických prvků. Základní složení živé hmoty závisí na těch chemických prvcích, které existují v biosféře v plynném stavu, v důsledku čehož je organický svět živých organismů spojen s cyklem plynů na Zemi.
Geochemické procesy biosféry
Jak je známo, zemská kůra obsahuje více než 100 $ chemických prvků, ale pouze 6 $ z nich interaguje v atmosféře: vodík $(H)$, kyslík $(O)$, dusík $(N)$, uhlík $ (C)$, fosfor $(P)$ a síra $(S)$. Nejreaktivnější prvky se tedy účastní biosférických geochemických procesů. První 4 z nich tvoří téměř celou hmotu suchozemských rostlin, včetně asi 99 $\%$ veškeré živé hmoty na Zemi.
Biochemické procesy v biosféře
Biochemické cykly ročně uvedou do pohybu asi 500 miliard tun látek, jejichž výlučně poháněnou silou jsou procesy fotosyntézy. Kromě $C$, $H$, $O$ a $N$ používají organismy prvky popela - $Ca$, $K$ atd., stejně jako makroprvky - $Zn$, $Mo$ atd. , k jehož oběhu na planetě dochází v důsledku cyklické přeměny látek a změn energetických toků v důsledku kombinovaného působení biotické a abiotické přeměny živé hmoty.
Závěr
Cirkulaci látek v biosféře tedy neprovádějí určité látky, ale pouze určité prvky, které se účastní procesů probíhajících v různých vrstvách atmosféry, hydro- a litosféry.
Pojmy „tok hmoty“ a „tok energie“ by měly být jasně definovány. Tok hmoty je pohyb ve formě chemických prvků a jejich sloučenin od výrobců k rozkladačům (přes spotřebitele nebo bez nich). Tok energie je přenos energie ve formě chemických vazeb organických sloučenin (potravin) podél potravních řetězců z jedné trofické úrovně na druhou (vyšší).
Je třeba poznamenat, že na rozdíl od látek, které neustále cirkulují různými bloky ekosystému a mohou vždy znovu vstoupit do koloběhu, lze příchozí energii využít pouze jednou.
Jako univerzální přírodní jev je jednosměrný tok energie určován zákony termodynamiky. Podle prvního zákona se energie může přesunout z jedné formy (energie světla) do druhé (potenciální energie potravy), ale už se nikdy nevytvoří a beze stopy nezmizí.
Druhý termodynamický zákon říká, že nemůže existovat jediný proces spojený s přeměnou energie, aniž by se část energie ztratila. Z tohoto důvodu nemůže dojít k přeměně se 100% účinností např. potravy na látku, ze které se skládá tělo organismu.
Fungování všech ekosystémů je tedy dáno neustálým tokem energie, který je nezbytný pro všechny organismy k udržení jejich existence a sebereprodukce.
V ekosystémech také existují konkurenční vztahy. V tomto ohledu velký zájem představuje zákon maximalizace energie (G. Odum - E. Odum): v konkurenci s ostatními ekosystémy ten, který nejlépe přispívá k toku energie a nejvíce z ní využívá maximální množství efektivním způsobem. Za tímto účelem systém dle zákona: 1) vytváří akumulátory (zásobníky) kvalitní energie (například tukové zásoby); 2) vynakládá určité množství akumulované energie na zajištění přísunu nové energie; 3) zajišťuje cirkulaci různých látek; 4) vytváří regulační mechanismy, které podporují stabilitu systému a jeho schopnost přizpůsobit se měnícím se podmínkám; 5) zavádí výměny s jinými systémy nezbytnými pro uspokojení potřeby speciálních druhů energie.
Je třeba zdůraznit důležitou okolnost: zákon maximalizace energie platí i ve vztahu k informaci, lze jej proto (podle N. F. Reimerse) považovat i za zákon maximalizace energie a informace: systém, který nejvíce přispívá k tzv. příjem, výroba a efektivní využití energie a informací.
Poznamenejme, že maximální zásoba látky jako taková ještě nezaručuje úspěch systému v konkurenční skupině jiných podobných systémů.
Již dříve bylo uvedeno, že mezi organismy biocenózy vznikají a jsou ustaveny silné potravní vztahy nebo potravní řetězec. Ten se skládá ze tří hlavních článků: producentů, spotřebitelů a rozkladačů.
Potravní řetězce, které začínají fotosyntetickými organismy, se nazývají pastevní (nebo pastevní) řetězce a řetězce, které začínají odumřelou rostlinnou hmotou, zdechliny a zvířecí exkrementy, se nazývají detritální řetězce.
Umístění každého článku v potravním řetězci se nazývá trofická úroveň; vyznačuje se různou intenzitou toku látek a energie. První trofickou úrovní jsou vždy producenti; druhý - býložraví konzumenti; třetí - masožravci, žijící z býložravých forem; čtvrtá úroveň – konzumace jiných masožravců atp.
Obsazují spotřebitele prvního, druhého, třetího a čtvrtého řádu různé úrovně v silových obvodech (obr. 9).
Rýže. 9.
Je zřejmé, že velkou roli v tom hraje potravinářská specializace spotřebitelů. Druhy s širokým spektrem výživy lze zařadit do potravních řetězců na různých trofických úrovních. Jídelníček člověka například zahrnuje: rostlinná potrava a maso býložravců a masožravců. Působí tedy v různých potravinových řetězcích jako spotřebitel I, II nebo III řádu.
Protože se energie ztrácí při přenosu energie z jedné úrovně na druhou, energetický řetězec nemůže být dlouhý: obvykle se skládá ze 4...6 článků (tabulka 1).
1. Typická schémata potravních řetězců (podle V. M. Ivonina, 1996)
Takové řetězce ve své čisté formě se však v přírodě obvykle nenacházejí, protože stejné druhy mohou být přítomny současně v různých článcích. To je způsobeno skutečností, že v přírodě je málo monofágů a polyfágy jsou mnohem běžnější. Například predátoři, kteří se živí různými býložravci a masožravci, jsou články mnoha řetězců. Výsledkem je, že v každé biocenóze se evolučně tvoří komplexy potravních řetězců, které představují jeden celek. Tak vznikají energetické sítě, které jsou vysoce složité.
Můžeme tedy usoudit, že potravní řetězec je hlavním kanálem přenosu energie ve společenství (mezi rostlinami – producenty, zvířaty – konzumenty a mikroorganismy – rozkladači) (obr. 10). potravní řetězce a trofické úrovně - spíše abstrakce V laboratoři lze vytvořit lineární řetězec s jasně oddělenými úrovněmi, ale v přírodě skutečně existují trofické sítě, ve kterých mnoho populací patří do několika trofických úrovní najednou jak zvířata, tak rostliny, dravec se může živit konzumenty prvního a druhého řádu;
Kvůli složitosti trofických vztahů nemá ztráta jednoho druhu na společenstvo často téměř žádný vliv. Ostatní „uživatelé“ začnou konzumovat potravu vyhynulých druhů,
Rýže. 10.
druhy, které se jím živí, nacházejí nové zdroje potravy: obecně je ve společenství udržována rovnováha.
Energie absorbovaná výrobci proudí potravními řetězci a postupně se spotřebovává. Na konci potravního řetězce je množství energie vždy menší než na začátku. Během fotosyntézy váží rostliny v průměru jen asi 1 % sluneční energie, která je dopadá. Zvíře, které snědlo rostlinu, část potravy nestráví a vyloučí ji ve formě exkrementů. Obvykle je tráveno 20...60 % rostlinného krmiva; Absorbovaná energie se využívá k udržení života zvířete. Fungování buněk a orgánů je doprovázeno uvolňováním tepla, to znamená, že značná část energie potravy se brzy rozptýlí v prostředí. Relativně ne většina jídlo se používá k budování nových tkání a vytváření tukových zásob. Dále predátor, který sežral býložravce a představuje třetí trofickou úroveň, přijímá pouze tu energii z energie nahromaděné rostlinou, která je zadržena v těle její kořisti (druhá úroveň) ve formě nárůstu biomasy.
Je známo, že v každé fázi přenosu hmoty a energie v potravním řetězci dochází ke ztrátě přibližně 90 % energie a jen asi desetina z toho přechází k dalšímu spotřebiteli, tj. přenosem energie v potravních spojích. organismů se řídí „pravidlem deseti procent“ (Lindemannův princip). Například množství energie, které dosáhne terciárních masožravců (pátá trofická úroveň), je pouze asi 10 -4 energie absorbované producenty. To vysvětluje omezený počet (5...6) článků (úrovní) v potravním řetězci bez ohledu na složitost druhové skladby biocenózy.
Rýže. 11.
Vzhledem k toku energie v ekosystémech je také snadné pochopit, proč biomasa klesá s rostoucí trofickou úrovní. Zde se projevuje třetí základní princip fungování ekosystémů: čím větší je biomasa populace, tím nižší by měla být trofická úroveň, kterou zaujímá, nebo jinak: na konci dlouhých potravních řetězců nemůže být velká biomasa.
Výše uvedené tři základní principy fungování ekosystému - koloběh živin, tok sluneční energie a úbytek biomasy s rostoucí trofickou úrovní - lze znázornit formou obecného diagramu (obr. 11). Uspořádáme-li organismy podle jejich nutričních vztahů a u každého z nich uvedeme „vstup“ a „výdej“ energie a živin, je zřejmé, že živiny jsou v rámci ekosystému neustále recyklovány a prochází jím tok energie.
Ministerstvo školství Ruské federace
VLADIMÍROVÁ STÁTNÍ UNIVERZITA
Katedra ekologie
ABSTRAKTNÍ
v oboru "ekologie"
na téma:
„Tok energie a koloběh látek v přírodě“
Dokončeno:
student gr. ZEVM-107
Bocharov A.V.
Přijato:
Mishchenko T.V.
VLADIMÍR 2011
Úvod ……………………………………………………….. 3
1. Tok energie v biosféře …………………………………..………………………. 5
2. Biogeochemické cykly……………………………….….………... 7
2.1 Koloběh vody ………………………………………….….…… 9
2.2 Kyslíkový cyklus……………………………………….……... 11
2.3 Uhlíkový cyklus ………………………………………………… 12
2.4 Cyklus dusíku……………………………………….. 14
2.5 Fosforový cyklus……………………………………………….……….. 17
2.6 Cyklus síry……………………………………….…………. 18
3. Faktory ovlivňující koloběh látek v přírodě………………... 19
4. Vliv člověka na koloběhy látek v přírodě ………………… 23
Závěr……………………………………………………………………………………….. 26
Seznam použitých referencí……………………………………… 27
Zavedení
Hlavní funkcí biosféry je zajišťovat koloběh chemických prvků, který se projevuje v oběhu látek mezi atmosférou, půdou, hydrosférou a živými organismy.
Ekosystémy jsou společenstva organismů propojených s anorganickým prostředím nejbližšími materiálovými a energetickými vazbami. Rostliny mohou existovat pouze díky neustálému přísunu oxidu uhličitého, vody, kyslíku a minerálních solí. V žádném daném stanovišti by zásoby anorganických sloučenin nezbytné k podpoře života organismů, které je obývají, nevydržely dlouho, pokud by tyto zásoby nebyly obnoveny. K návratu živin do prostředí dochází jak během života organismů (v důsledku dýchání, vylučování, defekace), tak po jejich smrti v důsledku rozkladu mrtvol a rostlinných zbytků. Společenství tak získává určitý systém s anorganickým prostředím, ve kterém má tok atomů způsobený vitální činností organismů tendenci uzavírat se v cyklu.
Jakýkoli soubor organismů a anorganických složek, ve kterých může docházet k oběhu látek, se nazývá ekosystém. Tento termín navrhl v roce 1935 anglický ekolog A. Tansley, který zdůraznil, že při tomto přístupu se anorganické a organické faktory chovají jako rovnocenné složky a nemůžeme oddělit organismy od konkrétního prostředí. A. Tansley považoval ekosystémy za základní přírodní jednotky na povrchu Země, i když nemají konkrétní objem a mohou pokrýt prostor libovolného rozsahu.
Většina látek v zemské kůře prochází živými organismy a je zapojena do biologického koloběhu látek, které vytvořily biosféru a určují její stabilitu. Energeticky je život v biosféře podporován neustálým tokem energie ze Slunce a jejím využitím v procesech fotosyntézy. Činnost živých organismů je doprovázena těžbou velkého množství z okolní neživé přírody. minerály. Po smrti organismů se jejich chemické prvky vracejí zpět do prostředí. Tak vzniká v přírodě biogenní koloběh látek, tedy oběh látek mezi atmosférou, hydrosférou, litosférou a živými organismy.
Cílem této eseje je studovat cirkulaci toku energie a látek v přírodě a odhalit zvolené téma.
Téma mé eseje je velmi rozsáhlé. Můžeme o ní mluvit dlouho. Ale dotknu se jen těch otázek, které považuji za nejdůležitější a nejbližší zvolenému tématu.
1. TOK energie v biosféře
Tok sluneční energie, vnímaný molekulami živých buněk, se přeměňuje na energii chemických vazeb. V procesu fotosyntézy rostliny využívají zářivou energii slunečního světla k přeměně látek s nízkým obsahem energie (CO 2 a H 2 O) na složitější organické sloučeniny, kde se část sluneční energie ukládá ve formě chemických vazeb.
Organické látky vzniklé během procesu fotosyntézy mohou sloužit jako zdroj energie pro samotnou rostlinu nebo jsou přenášeny v procesu přijímání potravy a následné asimilace z jednoho organismu do druhého: z rostliny na býložravce, z nich na masožravce atd. K uvolňování energie obsažené v organických sloučeninách dochází během procesu dýchání nebo fermentace. Likvidaci použitých nebo mrtvých zbytků biomasy provádějí různé organismy klasifikované jako saprofyty (heterotrofní bakterie, houby, někteří živočichové a rostliny). Rozkládají zbytky biomasy na anorganické složky (mineralizace), podporují zapojení sloučenin a chemických prvků do biologického cyklu, což zajišťuje pravidelné cykly a produkci organické hmoty. Energie obsažená v potravě však necykluje, ale postupně přechází v tepelné energie. Veškerá sluneční energie absorbovaná organismy ve formě chemických vazeb se v konečném důsledku vrací zpět do vesmíru ve formě tepelného záření, takže biosféra potřebuje příliv energie zvenčí.
Na rozdíl od látek, které nepřetržitě cirkulují různými bloky ekosystému a mohou vždy znovu vstoupit do koloběhu, lze energii využít pouze jednou.
Jednosměrný příliv energie jako univerzální přírodní jev nastává v důsledku zákonů termodynamiky, které se vztahují k základům fyziky. První zákon říká, že energie se může změnit z jedné formy (jako je energie světla) na jinou (jako je potenciální energie potravy), ale nikdy se znovu nevytvoří ani nezničí.
Druhý termodynamický zákon říká, že nemůže existovat jediný proces spojený s přeměnou energie, aniž by se část energie ztratila. Při takových přeměnách se určité množství energie rozptýlí na nedostupnou tepelnou energii, a proto se ztrácí. Z tohoto důvodu nemohou se 100% účinností docházet k přeměnám např. potravinových látek na látky tvořící tělo organismu.
Existence všech ekosystémů závisí na neustálém toku energie, která je nezbytná pro všechny organismy k udržení jejich životních funkcí a sebereprodukce.
Slunce je prakticky jediným zdrojem veškeré energie na Zemi. Ne všechnu energii slunečního záření však mohou organismy absorbovat a využít. Pouze asi polovina normálního slunečního toku dopadajícího na zelené rostliny (tedy producenty) je absorbována fotosyntetickými prvky a pouze malý zlomek absorbované energie (od 1/100 do 1/20 části) je uložen ve formě biochemické energie (energie potravin).
Většina sluneční energie se tak ztrácí jako teplo odpařováním. Obecně platí, že udržení života vyžaduje neustálý přísun energie. A kdekoli jsou živé rostliny a zvířata, vždy zde najdeme zdroj jejich energie.
2. Biogeochemické cykly
Chemické prvky, které tvoří živé věci, obvykle obíhají v biosféře po charakteristických cestách: z vnějšího prostředí do organismů a znovu do vnějšího prostředí. Biogenní migrace je charakterizována akumulací chemických prvků v organismech (akumulace) a jejich uvolňováním v důsledku mineralizace odumřelé biomasy (detritus). Takové dráhy oběhu chemikálií (ve větší či menší míře uzavřené), proudící pomocí sluneční energie rostlinnými a živočišnými organismy, se nazývají biogeochemické cykly ( bio odkazuje na živé organismy a geo– půdě, vzduchu, vodě na zemském povrchu).
Jsou tam gyry druh plynu se zásobárnami anorganických sloučenin v atmosféře nebo oceánech (N 2, O 2, CO 2, H 2 O) a sedimentačními cykly s méně rozsáhlými zásobárnami v zemské kůře (P, Ca, Fe).
Prvky nezbytné pro život a rozpuštěné soli se běžně nazývají biogenní prvky (životodárné), neboli živiny. Mezi biogenními prvky se rozlišují dvě skupiny: makrotrofní látky a mikrotrofní látky.
První zahrnují prvky, které tvoří chemický základ tkání živých organismů. Patří sem: uhlík, vodík, kyslík, dusík, fosfor, draslík, vápník, hořčík, síra.
Ty zahrnují prvky a jejich sloučeniny, také nezbytné pro existenci živých systémů, ale v extrémně malých množstvích. Takové látky se často nazývají mikroelementy. Jedná se o železo, mangan, měď, zinek, bor, sodík, molybden, chlor, vanad a kobalt. Přestože jsou mikrotrofní prvky pro organismy nezbytné ve velmi malých množstvích, jejich nedostatek může výrazně omezit produktivitu, stejně jako nedostatek živin.
Oběh živin je obvykle doprovázen jejich chemickými přeměnami. Dusičnanový dusík lze například přeměnit na bílkovinný dusík, poté přeměnit na močovinu, přeměnit na amoniak a opět syntetizovat do dusičnanové formy vlivem mikroorganismů. Na procesech denitrifikace a fixace dusíku se podílejí různé mechanismy, biologické i chemické.
Uhlík obsažený v atmosféře ve formě CO 2 je jednou z výchozích složek fotosyntézy a následně je spolu s organickou hmotou spotřebováván spotřebiteli. Při dýchání rostlin a živočichů i prostřednictvím rozkladačů se uhlík ve formě CO 2 vrací zpět do atmosféry.
Na rozdíl od dusíku a uhlíku se zásobník fosforu nachází v horninách, které podléhají erozi a uvolňují fosfáty do ekosystémů. Většina z nich skončí v moři a některé se mohou vrátit zpět na pevninu prostřednictvím mořských potravních řetězců končících rybožravými ptáky (tvorba guana). Absorpce fosforu rostlinami závisí na kyselosti půdního roztoku: při zvyšování kyselosti se prakticky nerozpustné fosforečnany ve vodě přeměňují na vysoce rozpustnou kyselinu fosforečnou.
Živiny lze na rozdíl od energie využívat opakovaně: charakteristickým znakem je jejich koloběh. Další rozdíl oproti energii je ten, že přísun živin není stálý. Proces sekvestrace některých z nich jako živé biomasy snižuje množství zbývající v prostředí ekosystému.
Podívejme se podrobněji na biogeochemické cykly některých látek.
- Koloběh vody
V biosféře se voda neustále pohybuje z jednoho stavu do druhého a vytváří malé a velké cykly. Vypařování vody z povrchu oceánu, kondenzace vodní páry v atmosféře a srážky na povrchu oceánu tvoří malý cyklus. Pokud je vodní pára unášena vzdušnými proudy na pevninu, koloběh se mnohem zkomplikuje. V tomto případě se část srážek vypaří a vrátí se zpět do atmosféry, další napájí řeky a nádrže, ale nakonec se opět vrátí do oceánu říčním a podzemním odtokem, čímž se dokončí velký cyklus. Důležitou vlastností koloběhu vody je, že při interakci s litosférou, atmosférou a živou hmotou spojuje všechny části hydrosféry: oceán, řeky, vlhkost půdy, podzemní vody a atmosférickou vlhkostí. Voda je nejdůležitější složkou všech živých věcí. Podzemní voda, pronikající rostlinnou tkání během procesu transpirace, vnášejí minerální soli nezbytné pro život samotných rostlin.
Nejpomalejší částí koloběhu vody je činnost polárních ledovců, která odráží pomalý pohyb a rychlé tání ledovcových mas. Po atmosférické vlhkosti se říční vody vyznačují největší výměnnou aktivitou, která se mění v průměru každých 11 dní. Extrémně rychlá obnovitelnost hlavních zdrojů sladké vody a odsolování vody v procesu cyklu jsou odrazem globálního procesu dynamiky vody na zeměkouli.
- Cyklus kyslíku
Kromě koloběhu kyslíku popsaného výše v nevázané formě tento prvek také dokončuje nejdůležitější koloběh, je součástí vody.
- Uhlíkový cyklus
Uhlík má pro živou hmotu mimořádný význam (živá hmota v geologii je souhrn všech organismů obývajících Zemi). Z uhlíku v biosféře vznikají miliony organických sloučenin. Oxid uhličitý z atmosféry je asimilován a přeměněn na různé organické rostlinné sloučeniny během procesu fotosyntézy prováděné zelenými rostlinami. Rostlinné organismy, zejména nižší mikroorganismy a mořský fytoplankton, produkují díky výjimečné rychlosti rozmnožování asi 1,5 * 10 11 ročně
atd.............
Je známo, že všechny látky v biosféře planety Země jsou v procesu biochemické cirkulace.
Existují dva hlavní cykly: velký (geologický) a malý (biotický).
Velký cyklus trvá miliony let. Skály Neustále jsou ničeny, zvětrávány, rozpouštěny a unášeny proudy vody do Světového oceánu. Tvoří se zde silné mořské vrstvy. V tomto případě se některé chemické sloučeniny rozpouštějí ve vodě nebo jsou spotřebovány biocenózou.
Procesy spojené s poklesem kontinentů a vzestupem mořského dna, pohyb moří a oceánů po dlouhou dobu, nazývaný geoktonický, vedou k návratu mořských vrstev na pevninu a tato akce začíná znovu.
Malý cyklus, který je součástí velkého, probíhá na úrovni biogeocenózy a spočívá v tom, že živiny obsažené v půdě, vodě a atmosféře se hromadí v rostlinách a jsou vynakládány na vytváření jejich hmoty a životních procesů v nich. Malý cyklus trvá stovky let. Zde se vlivem bakterií organické látky rozkládají, rozpadají a rozkládají na minerální složky dostupné pro výživu jiných rostlin. Jsou tedy opět zapojeny do kruhového toku látek v přírodě (biosféře).
Návrat chemických látek z anorganického prostředí přes rostlinné a živočišné organismy zpět do anorganického prostředí pomocí sluneční energie a chemických reakcí se nazývá biochemický cyklus. Tohoto koloběhu látek se účastní tři skupiny organismů: producenti, konzumenti a rozkladači.
Producenti(producenti) - autotrofní organismy a rostliny, které s využitím sluneční energie vytvářejí primární produkci živé hmoty. Spotřebovávají oxid uhličitý CO 2, vodu H 2 O, soli a uvolňují kyslík O 2. Do této skupiny patří i některé bakterie (chemoseptika) schopné vytvářet organickou hmotu.
Spotřebitelé(spotřebitelé) - heterotrofní organismy, které se živí autotrofními organismy a navzájem. Podle pořadí se dělí na konzumenty prvního (býložravci), druhého (predátoři), třetího a čtvrtého (superparaziti) řádu.
Rozkladače(redukční činidla) - organismy, které se živí jinými (mrtvými) organismy, bakteriemi a houbami. Zde je zvláště velká role mikroorganismů, které zcela ničí organické zbytky a přeměňují je na konečné produkty: minerální soli, oxid uhličitý, vodu, jednoduché organické látky, které vstupují do půdy a jsou opět spotřebovávány rostlinami.
Je třeba poznamenat, že v důsledku fotosyntézy na zemské souši se ročně vytvoří 1,5 až 5,5 miliardy tun rostlinné biomasy, která obsahuje asi 4,6 10 18 kJ sluneční energie. Celkový přírůstek živé hmoty na Zemi je asi 88 miliard tun ročně. Navíc celková hmotnost živé hmoty zahrnuje asi 500 tis. různé typy rostlin a asi 2 miliony živočišných druhů.
Rychlost tvorby biologické látky (biomasy), neboli vznik hmoty látky za jednotku času, se nazývá produktivita ekosystémy. Biologická produktivita země a oceánu je přibližně stejná, protože oceánská biomasa se skládá hlavně z jednobuněčných řas, které se každoročně obnovují. Pozemní biomasa se obnovuje do 15 let.
Koloběh energie na Zemi je spojen s koloběhem látek. Na úrovni chemických prvků a jejich obsahů se v biosféře nejzřetelněji projevuje koloběh uhlíku C jako nejaktivnější chemický prvek, jehož sloučeniny se průběžně tvoří, mění a zanikají. Hlavní cesta uhlíku je z oxidu uhličitého do živé hmoty a zpět do plynu.
Část uhlíku opouští koloběh, usazuje se v sedimentárních horninách oceánu nebo ve fosilních hořlavých látkách organického původu (rašelina, uhlí, ropa, hořlavé plyny), kde je jeho převážná část již nahromaděna. A pak se tento uhlík účastní pomalého geologického cyklu. K výměně oxidu uhličitého dochází také mezi atmosférou a oceánem. Velké množství oxidu uhličitého je rozpuštěno v horních vrstvách oceánu, který je v rovnováze s atmosférou. Celkově hydrosféra obsahuje asi 13 10 13 tun rozpuštěného oxidu uhličitého a atmosféra obsahuje 60krát méně.
Důležitá role Cyklus dusíku N hraje roli v biosférických procesech. Účastní se jich pouze dusík zapojený do určitých chemických sloučenin. Celková doba obratu dusíku ve velkém cyklu se odhaduje na více než 100 let.
K fixaci dusíku v chemických sloučeninách dochází při vulkanické činnosti, při výbojích blesku v atmosféře, při procesu její ionizace a při hoření materiálů. Rozhodující roli při jeho fixaci hrají mikroorganismy.
Sloučeniny dusíku (dusičnany, dusitany) v roztocích vstupují do rostlin, podílejí se na tvorbě organické hmoty (aminokyseliny, komplexní bílkoviny). Některé sloučeniny dusíku jsou přenášeny do řek a moří a pronikají do podzemních vod. Dusík je absorbován ze sloučenin rozpuštěných v mořské vodě vodní organismy a poté, co zemřou, se vrátí do vod oceánu. Proto se koncentrace dusíku v horních vrstvách oceánu výrazně zvyšuje.
Jedním z nejdůležitějších prvků biosféry je fosfor F, který je součástí nukleových kyselin, buněčných membrán, kostní tkáně. Fosfor se také účastní malých a velkých cyklů a je absorbován rostlinami. Fosforečnany sodné a vápenaté jsou ve vodě špatně rozpustné, v alkalickém prostředí jsou prakticky nerozpustné.
Klíčovým prvkem biosféry je voda H 2 O. Koloběh vody probíhá jejím vypařováním z povrchu vodních útvarů a pevniny do atmosféry a poté transportován vzdušnými hmotami, kondenzací a pády ve formě srážek (obr. 1).
Průměrná doba trvání obecného cyklu výměny uhlíku, dusíku a vody zapojených do biologického cyklu je 300-400 let. Podle této rychlosti se uvolňují minerální sloučeniny spojené s biomasou.
Je známo, že různé látky mají v biosféře různé rychlosti výměny. Mezi mobilní látky patří chlor, síra, brom a fluor. Mezi pasivní patří křemík, draslík, fosfor, měď, nikl, hliník a železo. Oběh všech biogenních prvků probíhá na úrovni biogeocenózy. Produktivita biogeocenózy závisí na tom, jak pravidelně a úplně probíhá cyklus chemických prvků.
Podíl biologicky hodnotných prvků v malém cyklu je poměrně vysoký. Například doba obratu atmosférického uhlíku v malém cyklu je asi 8 let a ve velkém cyklu - 400 let.