الدورات البيوجيوكيميائية للعناصر الكيميائية الرئيسية
مقدمة
أتاح ظهور المادة الحية على الأرض استمرار تداول العناصر الكيميائية في المحيط الحيوي ، وانتقالها من البيئة الخارجية إلى الكائنات الحية والعكس صحيح. يسمى هذا الدوران للعناصر الكيميائية بالدورات البيوجيوكيميائية. دورة الكيمياء الحيويةهي جزء من الدورة الحيوية ، بما في ذلك دورات تبادل العناصر الكيميائية ذات الأصل اللاأحيائي ، والتي بدونها لا يمكن أن توجد المادة الحية (الكربون والأكسجين والهيدروجين والنيتروجين والفوسفور والكبريت وغيرها الكثير). عادةً ما يتم التمييز بين ثلاثة أنواع رئيسية من الدورات البيوجيوكيميائية: دورة المياه ، ودورات المواد الغازية مع وجود صندوق احتياطي في الغلاف الجوي أو الغلاف المائي (المحيط) ، والدورات الرسوبية للعناصر الكيميائية مع وجود صندوق احتياطي في القشرة الأرضية.
دورة المياه
الماء هو العنصر الأساسي الضروري للحياة. من الناحية الكمية ، هذا هو المكون غير العضوي الأكثر شيوعًا للمادة الحية.
يتركز 97٪ من إجمالي كتلة المياه في المحيط الحيوي في المحيطات. من المفترض أن يتم موازنة التبخر بالنتح. يتبخر الماء من المحيط أكثر مما يأتي إليه مع هطول الأمطار ، على الأرض - على العكس من ذلك. يسقط هطول الأمطار "الإضافي" على الأرض في القمم الجليدية والأنهار الجليدية ، ويجدد المياه الجوفية (من هناك تسحب النباتات المياه من أجل النتح) ، وينتهي بها الأمر أخيرًا في البحيرات والأنهار ، وتعود تدريجيًا مع الجريان السطحي إلى المحيط. تحدث دورة المياه بشكل أساسي بين الغلاف الجوي والمحيط.
يؤيد وجود صندوق احتياطي كبير في الغلاف الجوي حقيقة أن دورات بعض المواد الغازية قادرة على التنظيم الذاتي السريع إلى حد ما في مختلف الاختلالات المحلية. وهكذا ، فإن الفائض من ثاني أكسيد الكربون المتراكم في مكان ما نتيجة لزيادة الأكسدة أو الاحتراق يتبدد بسرعة بفعل الرياح ؛ بالإضافة إلى ذلك ، يتم تعويض التكوين المكثف لثاني أكسيد الكربون من خلال استهلاكه الكبير بواسطة النباتات أو تحويله إلى كربونات. في النهاية ، نتيجة للتنظيم الذاتي حسب نوع التغذية الراجعة السلبية ، فإن دورات المواد الغازية على نطاق عالمي مثالية نسبيًا. الدورات الرئيسية من هذا القبيل هي دورات الكربون (في تكوين ثاني أكسيد الكربون) والنيتروجين والأكسجين والفوسفور والكبريت والعناصر البيولوجية المنشأ الأخرى.
دورة الكربون
على الأرض ، يبدأ بتثبيت ثاني أكسيد الكربون بواسطة النباتات من خلال عملية التمثيل الضوئي لتشكيل المواد العضويةوالإنتاج الثانوي للأكسجين. يتم إطلاق جزء من الكربون المرتبط أثناء تنفس النباتات كجزء من ثاني أكسيد الكربون
فطريات التربة ، اعتمادًا على معدل النمو ، تنبعث من 200 إلى 2000 سم 3 من ثاني أكسيد الكربون لكل 1 غرام من الكتلة الجافة. تنبعث الكثير من ثاني أكسيد الكربون عن طريق البكتيريا ، والتي ، من حيث الوزن الحي ، تتنفس بشكل مكثف 200 مرة أكثر من الإنسان. ينبعث ثاني أكسيد الكربون أيضًا من جذور النباتات والعديد من الكائنات الحية. تتحلل الكائنات الحية الدقيقة النباتات المتقادمة والحيوانات الميتة ، ونتيجة لذلك يتأكسد الكربون من المواد العضوية الميتة إلى ثاني أكسيد الكربون ويعود إلى الغلاف الجوي.
تجري عمليات انتقال الكربون باستمرار بين اليابسة والمحيط العالمي ، حيث تسود إزالته في شكل كربونات ومركبات عضوية من الأرض إلى المحيط. من المحيطات إلى اليابسة ، يأتي الكربون بكميات صغيرة في شكل ثاني أكسيد الكربون المنطلق في الغلاف الجوي. يتم تبادل ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي والغلاف المائي وتجديده بواسطة الكائنات الحية لمدة 395 عامًا.
دورة النيتروجين
تمامًا مثل دورة الكربون والدورات الأخرى ، فهي تغطي جميع مناطق المحيط الحيوي. في دورة مركبات النيتروجين ، تلعب الكائنات الحية الدقيقة دورًا رئيسيًا: مثبتات النيتروجين ، ومركبات النيتروجين ومزيلات النيتروجين. تؤثر الكائنات الحية الأخرى على دورة النيتروجين فقط بعد أن تدخل في تكوين خلاياها. كما هو معروف ، فإن البقوليات وممثلي بعض أجناس النباتات الوعائية الأخرى (على سبيل المثال ، ألدر ، أراوكاريا ، أبله) يقومون بإصلاح النيتروجين بمساعدة البكتيريا المتعايشة. لوحظ نفس الشيء في بعض الأشنات التي تثبت النيتروجين بمساعدة الطحالب الخضراء المزرقة التكافلية. من الواضح أن التثبيت البيولوجي للنيتروجين الجزيئي بواسطة الكائنات الحية الحرة والتكافل يحدث في كل من الأجزاء ذاتية التغذية وغيرية التغذية من النظم البيئية.
من بين الاحتياطيات الهائلة من النيتروجين في الغلاف الجوي والقشرة الرسوبية للغلاف الصخري ، يشارك النيتروجين الثابت فقط ، الذي تم استيعابه بواسطة الكائنات الحية على الأرض والمحيط ، في دورته. تشمل فئة صندوق التبادل لهذا العنصر: نيتروجين الإنتاج السنوي للكتلة الحيوية ، نيتروجين التثبيت البيولوجي بواسطة البكتيريا والكائنات الأخرى ، نيتروجين الأحداث (البركانية) ، الغلاف الجوي (ثابت أثناء العواصف الرعدية) والتكنولوجي
من السهل ملاحظة أنه ، باستثناء نباتات التندرا ، حيث يكون محتوى عناصر النيتروجين والرماد متماثلًا تقريبًا ، في الغطاء النباتي لجميع الأنواع الأخرى تقريبًا ، تكون كتلة النيتروجين 2 ... 3 مرات أقل من الكتلة من عناصر الرماد. يكون عدد العناصر المتداولة خلال العام (أي قدرة الدورة البيولوجية) أكبر في الغابات الاستوائية ، ثم في سهول تشيرنوزم والغابات عريضة الأوراق في المنطقة المعتدلة (غابات البلوط).
دورة الأكسجين
يتم التعبير بوضوح عن النشاط الجيوكيميائي الفعال للمادة الحية ودورها الأساسي في هذه العملية في دورة الأكسجين. دورة الأكسجين البيوجيوكيميائية هي عملية كوكبية تربط الغلاف الجوي والغلاف المائي بقشرة الأرض. الروابط الرئيسية في هذه الدورة هي: تكوين الأكسجين الحر أثناء عملية التمثيل الضوئي في النباتات الخضراء ، واستهلاكه لتنفيذ وظائف الجهاز التنفسي من قبل جميع الكائنات الحية ، وأكسدة المخلفات العضوية والمواد غير العضوية (على سبيل المثال ، احتراق الوقود) وغيرها. تؤدي التحولات الكيميائية إلى تكوين مثل هذه المركبات المؤكسدة ، مثل ثاني أكسيد الكربون والماء ، ومشاركتها اللاحقة في دورة جديدة من التحولات الضوئية.
يجب أيضًا مراعاة استخدام الأكسجين للاحتراق والأنشطة البشرية الأخرى. من المفترض أنه في المستقبل المنظور ، سيصل إجمالي استهلاك الأكسجين السنوي إلى 210 ... 230 مليار طن ، بينما يبلغ الإنتاج السنوي من هذا الغاز من قبل المحيط النباتي بأكمله 240 مليار طن.
دورة الفوسفور
كلارك لهذا العنصر في قشرة الأرض هو 0.093 %, وهو أكبر بعشرات المرات من كلارك النيتروجين. لكن فيعلى عكس الأخير ، لا يلعب الفوسفور دور أحد العناصر الرئيسية لقذائف الأرض. ومع ذلك ، فإن الدورة الجيوكيميائية للفوسفور تشمل طرق هجرة مختلفة في قشرة الأرض ، ودورة بيولوجية مكثفة ، وهجرة في الغلاف المائي. الفوسفور هو أحد العناصر العضوية الرئيسية. له مركبات العضويةتلعب دورًا مهمًا في عمليات الحياة لجميع النباتات والحيوانات ، وهي جزء من الأحماض النووية ، والبروتينات المعقدة ، وغشاء الفسفوليبيد ، وهي أساس عمليات الطاقة الحيوية. يتركز الفوسفور في المادة الحية ، حيث يكون محتواه أعلى بعشر مرات من محتواه في قشرة الأرض. على الأرض ، تحدث دورة مكثفة من الفوسفور في نظام التربة - النباتات - الحيوانات - التربة.
تم تكوين عملية مطورة إلى حد ما للتحولات الدورية للكبريت ومركباته في المحيط الحيوي. يتم تخصيص الأموال الاحتياطية لهذا العنصر في التربة والرواسب (واسعة إلى حد ما) ، وكذلك في الغلاف الجوي (صغير). في صندوق تبادل الكبريت ، ينتمي الدور الرئيسي للكائنات الحية الدقيقة المتخصصة ، وبعض الأنواع تؤدي تفاعل أكسدة ، والبعض الآخر - الاختزال. تتأثر دورات النيتروجين والكبريت بشكل متزايد بتلوث الهواء الصناعي. يزيد حرق الوقود الأحفوري بشكل كبير من إطلاق أكاسيد النيتروجين المتطايرة (NO و NO2) والكبريت (SO2) في الغلاف الجوي (وبالطبع المحتوى الموجود فيه) ، خاصة في المدن. أصبح التركيز الحالي لهذه المكونات بالفعل خطيرًا على المكونات الحيوية للنظم البيئية.
دورة البوتاسيوم
يشارك البوتاسيوم ، كما هو معروف ، في عمليات التمثيل الضوئي ، ويؤثر على استقلاب الكربوهيدرات والنيتروجين والفوسفور ، ويؤثر بشكل كبير على الخصائص التناضحية للخلايا. يتركز في الفواكه والبذور ، في أنسجة وأعضاء النباتات التي تنمو بشكل مكثف.
حتى الآن ، لا تزال دورة البوتاسيوم في البيئة المائية غير مفهومة جيدًا. كل عام ، يدخل حوالي 90 مليون طن من هذا العنصر المحيط العالمي مع جريان المياه. تمتص الكائنات المائية بعضًا منه ، ولكن لم يتم تسجيل كمية كبيرة في أي مكان ، وحركته اللاحقة غير معروفة.
عنصر مهم في الدورات هو الجريان الأيوني والصلب. يحدث دوران العناصر الكيميائية ، كقاعدة عامة ، في عدة قذائف متجاورة للأرض في وقت واحد (الغلاف الجوي والغلاف المائي والغلاف المائي والغلاف الأرضي) أو في جميع الغلاف الجوي الثلاثة في وقت واحد. يتم توفير موثوقية وثبات تنفيذ الدورات من خلال التبادل المنتظم للمادة والطاقة بين الغلاف الجوي. يتجلى هذا النوع من العلاقة الاتجاهية بوضوح في مثال بالوعة الأيونات ، وهي عملية إزالة العناصر الكيميائية في حالة الذوبان الأيوني بواسطة الأنهار من الأرض إلى المحيط العالمي. تتعرض العناصر الكيميائية الواردة في شكل أيوني ، وكذلك على الأرض ، في البيئة المائية للكائنات الحية ، واستمرار الدورة. إن هجرة العناصر الكيميائية في حالة مذابة هي عملية كوكبية عملاقة.
لا تبقى المادة الصلبة الموجودة على سطح الأرض ثابتة. كما تشارك في الهجرة ، وتتحرك عن طريق المياه السطحية للأرض. تحمل المياه السطحية ، جنبًا إلى جنب مع العناصر المهاجرة في حالة مذابة أو مع جزيئات غروانية ، كتلًا ضخمة من شظايا الصخور والمعادن ، والتي تسمى الجريان السطحي الصلب (عن طريق القياس مع جريان المياه). يتحرك جزء كبير من الجريان السطحي الصلب داخل الأرض ، لكن الأحجام التي تدخل البحار كبيرة جدًا. في كل عام ، يدخل 22.13 مليار طن من المواد الصلصالية والطينية المحيط العالمي من القارات ، وهو ما يقرب من 7 أضعاف كمية المواد الذائبة المنفذة.
البيوتكنوسفير والنووسفير
خصائص الدورات البيوجيوكيميائية للهجرة.المحيط الحيوي ليس مثاليًا فقط نظام منظم، ولكنه نوع من "الآلية" ، حيث تخضع العلاقة والعلاقة بين المادة الحية والمادة الخاملة لقوانين صارمة ، لا تتغير مثل قوانين حركة الأجرام السماوية. من الناحية الجيوكيميائية ، يتم تنفيذ وظائف الحياة هذه بسبب تكاثر الكائنات الحية. المادة الحية تتغلب على مقاومة البيئة ، وتسعى جاهدة للانتشار إلى المنطقة الحرة.
معدل التكاثر هو معدل نقل الطاقة الجيوكيميائية في المحيط الحيوي. لا يعتمد فقط على المعلمات الفلكية ، ولكن أيضًا على سرعة انتشار الحزمة الشمسية في البيئة ، وعلى حجم الكائنات الحية ، وعلى الطاقة الجيوكيميائية الموجودة فيها.
من السمات الأساسية للمادة الحية اختلافها عن البيئة "الخاملة" من حيث الخصائص المكانية والزمانية. تتوافق المادة الحية مع المكان والزمان الخاصين بها فقط.
يرتبط وقت الوجود الفردي للكائنات الحية بالعملية المستمرة باستمرار للشيخوخة والموت ، والتي لها قيمة إيجابية للعملية التطورية ، لأن هشاشة الكائنات الحية لا تضمن فقط دورة طويلة ومستمرة من المواد الحيوية ، ولكن أيضًا تباين كبير في الأشكال المورفولوجية.
تأثير الإنسان على المحيط الحيوي
مع النمو في استخدام الموارد الطبيعية بسبب الثورة الصناعية ، يزداد التأثير البشري على المحيط الحيوي ومكوناته بشكل موضوعي. أدت العملية الطبيعية والمتعددة الأطراف لنمو القوى الإنتاجية إلى توسيع نطاق التأثير البشري على الطبيعة (بما في ذلك التأثيرات السلبية). لاحظ فيرنادسكي أن نشاط الإنتاج البشري يكتسب مقياسًا يمكن مقارنته بالتحولات الجيولوجية. وهكذا ، أدى تقليص الغابات ، وحرث الأراضي البكر ، وتآكل التربة وتملحها ، وانخفاض التنوع البيولوجي إلى إضافة عوامل ميكانيكية وكيميائية فيزيائية دائمة جديدة تؤدي إلى تفاقم المخاطر البيئية.
يستغل الإنسان بالفعل أكثر من 55٪ من الأرض ، ويستخدم حوالي 13 % من مياه الأنهار ، يصل معدل إزالة الغابات إلى 18 مليون هكتار سنويًا.
ينخفض التأثير على المحيط الحيوي إلى أربعة أشكال رئيسية:
تغيير هيكل سطح الأرض (حرث السهوب ، وإزالة الغابات ، واستصلاح الأراضي ، وإنشاء البحيرات والبحار الاصطناعية ، وتغييرات أخرى في نظام المياه السطحية ، وما إلى ذلك):
التغييرات في تكوين المحيط الحيوي ، ودورة وتوازن المواد المكونة له (إزالة المعادن ، وتكوين مقالب ، وإطلاق مواد مختلفة في الغلاف الجوي والأجسام المائية ، والتغيرات في دوران الرطوبة) ؛
التغيرات في الطاقة ، ولا سيما الحرارة ، وتوازن المناطق الفردية من الكرة الأرضية ، مما يشكل خطورة على الكوكب بأسره ؛
التغييرات التي أجريت على الكائنات الحية (مجموع الكائنات الحية) نتيجة إبادة بعض الأنواع ، وإنشاء سلالات حيوانية جديدة وأنواع نباتية ، وانتقالها إلى موائل جديدة.
بالنظر إلى دور الإنسان في تطور المحيط الحيوي ، فإنهم يصفون انتهاك الإنسان للمبادئ الأساسية للبنية الطبيعية للمحيط الحيوي.
2. تم تطوير الدورات البيوجيوكيميائية للعناصر الحيوية المشاركة في الدورات الطبيعية بشكل تطوري ولا تؤدي إلى تراكم النفايات. من ناحية أخرى ، يستخدم الإنسان مادة الكوكب بشكل غير فعال للغاية ؛ في هذه الحالة ، يتم توليد كمية كبيرة من النفايات ، يتم نقل الكثير منها من الشكل الخامل الذي كانت فيه في البيئة الطبيعية إلى شكل نشط وسام. نتيجة لذلك ، يتم "إثراء" المحيط الحيوي بمركبات غير معتادة بالنسبة له ، أي يتم انتهاك النسبة الطبيعية للعناصر والمواد الكيميائية.
3. مع وجود مجموعة كبيرة ومتنوعة من الأنواع ، تساهم العلاقات التنافسية والمفترسة فيما بينها في إنشاء التوازن البيولوجي. لسوء الحظ ، تميز مسار البشرية بموت العديد من ممثلي النباتات والحيوانات. وفقًا لبعض التقارير ، يختفي نوع بيولوجي واحد على الأرض كل يوم.
4. أدى نشاط الناس إلى انتهاك الاستقرار السكاني. عدد الأنواع المرتبطة بالبشر (الجرذان ، الصراصير ، إلخ) آخذ في الازدياد ، في حين أن عدد العديد من المجموعات الأخرى ، على العكس من ذلك ، آخذ في الانخفاض ، وأحيانًا بنسب كارثية ، مما يعرض الأنواع لخطر الانقراض الكامل.
5. توسيع النشاط الاقتصادي ، يقوم الناس في وقت قصير بتغيير معايير العوامل البيئية ؛ العديد من الأنواع ليس لديها الوقت للتكيف مع هذه التغيرات السريعة.
إن مجموعة العوامل البشرية التي تؤثر على حالة المحيط الحيوي وصحة السكان متنوعة للغاية.
البيوتكنوسفير
البيوتكنوسفيرهي منطقة من كوكبنا توجد فيها مادة حية وأشياء حضرية تقنية من صنع الإنسان وحيث تفاعلها وتأثيرها بيئة خارجية. إن المحيط الحيوي عبارة عن تكتل معقد للعديد من الأنظمة الفرعية التي يتحكم فيها شخص ما. لا تتراكم هذه الأنظمة الفرعية ، ولكنها تستهلك الطاقة والكتلة الحيوية والأكسجين في المحيط الحيوي.
يقع المحيط الحيوي وأنظمته الفرعية التكنولوجية في المحيط الحيوي ، لكن ليس لديهم معظم الخصائص والوظائف المتأصلة في النظم البيئية الطبيعية.
ما دامت البشرية موجودة ، فإن المحيط الحيوي سوف يتطور. لكن المحيط الحيوي يجب أن يكون في حالة اكتفاء ذاتي بيئي ، بما يتوافق مع قوانين الطبيعة ويلبي احتياجات المجتمع البشري. في الوقت نفسه ، يجب أن يؤثر المجتمع بشكل هادف ومعقول على قوى الطبيعة.
نووسفير
نووسفير- أعلى مرحلة من تطور المحيط الحيوي ، والتي تتميز بالحفاظ على جميع الأنماط الطبيعية المتأصلة في المحيط الحيوي (مع مستوى عالٍ من تطور القوى المنتجة ، والتنظيم العلمي لتأثير المجتمع على الطبيعة) ، وإمكانيات المجتمع القصوى لتلبية الاحتياجات المادية والثقافية للإنسان.
إن noosphere هي حالة جديدة من المحيط الحيوي ، تقوم على العلاقة العالمية بين الطبيعة والمجتمع ، عندما يصبح التطور الإضافي لكوكب الأرض مسترشدًا بالعقل.
يعتبر الحاجة إلى نقل المحيط الحيوي إلى الغلاف الجوي نووسفير كضامن لبقاء الإنسان الحديث.
الانتقال إلى noosphere هو عملية صعبة وبطيئة لتطوير مبادئ العمل المتضافر ، والسلوك الجديد للناس ، وتغيير المعايير ، وإعادة هيكلة الكائن بأكمله. يجب أن تبدأ البشرية في تنظيم سكانها بشكل معقول وتقليل الضغط السلبي على الطبيعة بشكل كبير ، ومن ثم تطوير تقنيات مدعمة بعمق لبناء الغلاف الجوي على أساس الحفاظ على المحيط الحيوي كشرط أساسي للحياة.
هناك تبادل مستمر للعناصر الكيميائية بين الغلاف الصخري والغلاف المائي والغلاف الجوي والكائنات الحية على الأرض. هذه العملية دورية: بعد الانتقال من مجال إلى آخر ، تعود العناصر مرة أخرى إلى حالتها الأصلية. حدث تداول العناصر عبر تاريخ الأرض ، الذي بلغ 4.5 مليار سنة.
تحمل مياه المحيطات كتلًا عملاقة من المواد الكيميائية. بادئ ذي بدء ، هذا ينطبق على الغازات المذابة - ثاني أكسيد الكربون والأكسجين والنيتروجين. ماء باردتعمل خطوط العرض العالية على إذابة غازات الغلاف الجوي. يعمل مع التيارات المحيطية في المنطقة الاستوائية ، ويطلقها ، حيث تقل قابلية ذوبان الغازات عند تسخينها. يحدث امتصاص وإطلاق الغازات أيضًا أثناء تغير فصول السنة الدافئة والباردة.
كان لظهور الحياة على الكوكب تأثير كبير على الدورات الطبيعية لبعض العناصر. يشير هذا أولاً وقبل كل شيء إلى تداول العناصر الرئيسية للمادة العضوية - الكربون والهيدروجين والأكسجين ، فضلاً عن العناصر الحيوية مثل النيتروجين والكبريت والفوسفور. تؤثر الكائنات الحية أيضًا على دوران العديد من العناصر المعدنية. على الرغم من حقيقة أن الكتلة الإجمالية للكائنات الحية على الأرض أقل بملايين المرات من كتلة قشرة الأرض ، تلعب النباتات والحيوانات دورًا مهمًا في حركة العناصر الكيميائية.
تؤثر الأنشطة البشرية أيضًا على دورة العناصر. لقد أصبح ملحوظًا بشكل خاص في القرن الماضي. عند النظر في الجوانب الكيميائية للتغيرات العالمية في دورات العناصر الكيميائية ، ينبغي للمرء أن يأخذ في الاعتبار ليس فقط التغيرات في الدورات الطبيعية بسبب إضافة أو إزالة المواد الكيميائية الموجودة فيها نتيجة للتأثيرات الدورية العادية أو التي يسببها الإنسان ، ولكن وكذلك إطلاق مواد كيميائية في البيئة لم تكن موجودة من قبل في الطبيعة. دعونا نفكر في أحد أهم الأمثلة على الحركة الدورية وهجرة العناصر الكيميائية.
يوجد الكربون ، وهو العنصر الأساسي للحياة ، في الغلاف الجوي على شكل ثاني أكسيد الكربون. في المحيطات والمياه العذبة للأرض ، يوجد الكربون في شكلين رئيسيين: في تكوين المادة العضوية وفي تكوين الجسيمات غير العضوية المترابطة: أيون البيكربونات - وأيون الكربونات وثاني أكسيد الكربون المذاب. عدد كبير منيتركز الكربون في شكل مركبات عضوية في الحيوانات والنباتات. يوجد الكثير من المواد العضوية "غير الحية" في التربة. يوجد الكربون الموجود في الغلاف الصخري أيضًا في معادن الكربونات (الحجر الجيري ، الدولوميت ، الطباشير ، الرخام). يوجد جزء من الكربون في النفط والفحم والغاز الطبيعي.
الرابط في دورة الكربون الطبيعية هو ثاني أكسيد الكربون (الشكل 1).
رسم تخطيطي مبسط لدورة الكربون العالمية. تعكس الأرقام الموجودة في الصناديق حجم الخزانات بمليارات الأطنان - جيجا طن. تظهر الأسهم التدفقات والأرقام المرتبطة بها في Gt / yr.
أكبر خزانات الكربون هي الرواسب البحرية والصخور الرسوبية على الأرض. ومع ذلك ، فإن معظم هذه المادة لا تتفاعل مع الغلاف الجوي ، ولكنها تدور عبر الجزء الصلب من الأرض على نطاقات زمنية جيولوجية. لذلك ، تلعب هذه الخزانات دورًا ثانويًا فقط في دورة الكربون السريعة نسبيًا التي تحدث بمشاركة الغلاف الجوي. ثاني أكبر خزان هو مياه البحر. ولكن حتى هنا ، لا يتفاعل الجزء العميق من المحيطات ، حيث يتم احتواء الكمية الرئيسية من الكربون ، مع الغلاف الجوي بالسرعة نفسها التي يتفاعل بها سطحها. أصغر الخزانات هي المحيط الحيوي للأرض والغلاف الجوي. إن صغر حجم الخزان الأخير يجعله حساسًا حتى للتغيرات الصغيرة في نسبة الكربون في الخزانات الأخرى (الكبيرة) ، مثل حرق الوقود الأحفوري.
تتكون دورة الكربون العالمية الحديثة من دورتين أصغر. الأول هو ارتباط ثاني أكسيد الكربون أثناء عملية التمثيل الضوئي وتكوينه الجديد خلال حياة النباتات والحيوانات ، وكذلك أثناء تحلل المخلفات العضوية. تعود الدورة الثانية إلى تفاعل ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي والمياه الطبيعية:
في القرن الماضي ، تم إجراء تغييرات كبيرة على دورة الكربون من خلال النشاط الاقتصادي البشري. أدى حرق الوقود الأحفوري - الفحم والنفط والغاز - إلى زيادة إطلاق ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي. لا يؤثر هذا بشكل كبير على توزيع كتل الكربون بين قذائف الأرض ، ولكن يمكن أن يكون له عواقب وخيمة بسبب زيادة تأثير الاحتباس الحراري.
يترافق نشاط الكائنات الحية في المحيط الحيوي مع استخراج كميات كبيرة من المعادن من البيئة. بعد موت الكائنات الحية ، تعود العناصر الكيميائية المكونة لها إلى البيئة. هذه هي الطريقة التي ينشأ بها تداول المواد في الطبيعة (بمشاركة الكائنات الحية) ، أي تداول المواد بين الغلاف الصخري والغلاف الجوي والغلاف المائي والكائنات الحية. تُفهم دورة المواد على أنها عملية متكررة للتحول وحركة المواد في الطبيعة ، والتي لها طابع دوري أكثر أو أقل وضوحًا.
تشارك جميع الكائنات الحية في تداول المواد ، وتمتص بعض المواد من البيئة الخارجية وتطلق مواد أخرى فيها. وبالتالي ، تستهلك النباتات ثاني أكسيد الكربون والماء والأملاح المعدنية من البيئة الخارجية وتطلق الأكسجين فيها. تستنشق الحيوانات الأكسجين الذي تطلقه النباتات ، وعندما تأكلها ، فإنها تمتص المواد العضوية المركبة من الماء وثاني أكسيد الكربون وتطلق ثاني أكسيد الكربون والماء والمواد من الجزء غير المهضوم من الطعام. عندما تتحلل النباتات والحيوانات الميتة بواسطة البكتيريا والفطريات ، تتشكل كمية إضافية من ثاني أكسيد الكربون ، ويتم تحويل المواد العضوية إلى معادن تدخل التربة وتمتصها النباتات مرة أخرى. وهكذا ، فإن ذرات العناصر الكيميائية الرئيسية تنتقل باستمرار من كائن حي إلى آخر ، ومن التربة والغلاف الجوي والغلاف المائي إلى الكائنات الحية ، ومنهم إلى البيئة ، وبالتالي تجديد المادة غير الحية للمحيط الحيوي. تتكرر هذه العمليات عدد لا حصر له من المرات. لذلك ، على سبيل المثال ، يمر كل الأكسجين الموجود في الغلاف الجوي عبر المادة الحية خلال ألفي عام ، وكل ثاني أكسيد الكربون - في غضون 200-300 عام.
يُطلق على الدوران المستمر للعناصر الكيميائية في المحيط الحيوي على طول مسارات مغلقة أكثر أو أقل اسم الدورة البيوجيوكيميائية. تفسر الحاجة إلى مثل هذا الدوران من خلال التوافر المحدود لاحتياطياتها على هذا الكوكب. لضمان لانهاية الحياة ، يجب أن تتحرك العناصر الكيميائية في دائرة. يعد تداول كل عنصر كيميائي جزءًا من الدوران العام الهائل للمواد على الأرض ، أي أن جميع الدورات مترابطة بشكل وثيق.
تتطلب دورة المادة ، مثل جميع العمليات التي تحدث في الطبيعة ، إمدادًا ثابتًا بالطاقة. أساس الدورة الحيوية التي تضمن وجود الحياة هو الطاقة الشمسية. تتناقص الطاقة المقيدة في المواد العضوية على طول خطوات السلسلة الغذائية ، لأن معظمها يدخل البيئة في شكل حرارة أو يتم إنفاقه على تنفيذ العمليات التي تحدث في الكائنات الحية. لذلك ، يتم ملاحظة تدفق الطاقة وتحولها في المحيط الحيوي. وبالتالي ، لا يمكن أن يكون الغلاف الحيوي مستقرًا إلا في ظل حالة الدوران المستمر للمواد وتدفق الطاقة الشمسية.
"الدوران
في الطبيعة."
يصاحب نشاط الكائنات الحية استخراج كميات كبيرة من المواد المعدنية من الطبيعة غير الحية المحيطة بها. بعد موت الكائنات الحية ، تعود العناصر الكيميائية المكونة لها إلى البيئة. هذه هي الطريقة التي ينشأ بها التداول الحيوي للمواد في الطبيعة ، أي دوران المواد بين الغلاف الجوي والغلاف المائي والغلاف الصخري والكائنات الحية.
دعنا نعطي بعض الأمثلة.
دورة المياه.تحت تأثير الطاقة الشمسية والمياه
يتبخر من سطح المسطحات المائية وينتقل بواسطة التيارات الهوائية لمسافات طويلة. تتساقط
سطح الأرض على شكل ترسيب ، فهو يساهم في تدمير الصخور ويصنع المعادن التي تتكون منها.
قدم للنباتات والكائنات الحية الدقيقة والحيوانات. هي تكون
يؤدي إلى تآكل طبقة التربة العلوية ويترك مع
المركبات الكيميائية التي تم إنشاؤها فيه وعلقت الجزيئات العضوية وغير العضوية في البحار والمحيطات. دوران المياه بين المحيطات والأرض
رابط أساسي في استدامة الحياة على الأرض.
تشارك النباتات في دورة المياه بطريقتين: تستخرجها من التربة وتبخرها في الغلاف الجوي. يتم تكسير جزء من الماء في الخلايا النباتية أثناء عملية التمثيل الضوئي. في هذه الحالة ، يتم إصلاح الهيدروجين في شكل عضوي
المركبات الكيميائية والأكسجين يدخل الغلاف الجوي.
تستهلك الحيوانات الماء للحفاظ على التوازن الأسموزي والملح في الجسم وإطلاقه في البيئة الخارجية جنبًا إلى جنب مع منتجات التمثيل الغذائي.
دورة الكربون.يدخل الكربون المحيط الحيوي في
نتيجة تثبيته أثناء عملية التمثيل الضوئي. يتم تقدير كمية الكربون المرتبطة بالنباتات سنويًا
تبلغ قيمتها 46 مليار طن يدخل جزء منها في جسم الحيوانات
وتطلق نتيجة التنفس على شكل CO2 ، والتي
يدخل الغلاف الجوي من جديد. بالإضافة إلى مخزون الكربون
في الغلاف الجوي تتجدد بسبب النشاط البركاني واحتراق الإنسان للوقود الأحفوري. رغم
يمتص المحيط الجزء الرئيسي من ثاني أكسيد الكربون الذي يدخل الغلاف الجوي ويترسب في شكل كربون-
يرتفع.
- 2 -
دورة النيتروجين.النيتروجين هو أحد المكونات الحيوية الرئيسية
العناصر - توجد بكميات هائلة في الغلاف الجوي حيث تشكل 80٪ من الكتلة الكلية لغازاته
عناصر. ومع ذلك ، في الشكل الجزيئي ، لا يمكن
تستخدم من قبل النباتات أو الحيوانات العليا.
في شكل صالح للاستخدام ، وهو النيتروجين الجوي
نقل التفريغ الكهربائي (أي شكل
أكاسيد النيتروجين ، والتي تنتج مع الماء أحماض النيتروز والنتريك) ، والبكتيريا المثبتة للنيتروجين والطحالب الخضراء المزرقة. في نفس الوقت يتم تشكيل الأمونيا التي
البكتيريا الأخرى المُصنّعة كيميائيًا على التوالي
يؤدي إلى النتريت والنترات. هذا الأخير هو الأكثر هضمًا للنباتات. تثبيت النيتروجين البيولوجي على الأرض
ينتج حوالي 1 جم / م 2 ، وفي المناطق الخصبة تصل
Gaet 20 جم / م 2.
بعد موت الكائنات الحية ، تحلل البكتيريا المتعفنة المركبات المحتوية على النيتروجين إلى أمونيا. جزء منه
يذهب إلى الغلاف الجوي ، ويتم استعادة جزء من خلال نزع النتروجين
اختزال البكتيريا إلى النيتروجين الجزيئي ، ولكن الرئيسي
تتأكسد الكتلة إلى النترات والنترات ويعاد استخدامها. تستقر كمية معينة من مركبات النيتروجين في العمق
رواسب المياه الجانبية ولفترة طويلة (ملايين السنين)
يأتي من الدورة. يتم تعويض هذه الخسائر من قبل
إطلاق النيتروجين في الغلاف الجوي مع الغازات البركانية.
دورة الكبريت.يوجد الكبريت في البروتينات وأيضًا
هو عنصر حيوي. في شكل
مركبات مع معادن - كبريتيدات - تحدث في شكل خامات
على اليابسة وهي جزء من رواسب أعماق البحار. داخل-
القدم لاستيعاب شكل قابل للذوبان من هذه المركبات
يمكن ترجمتها بواسطة بكتيريا اصطناعية كيميائية
تلقي الطاقة عن طريق أكسدة المركبات المختزلة
كبريت. نتيجة لذلك ، تتشكل الكبريتات التي
تستخدم من قبل النباتات. كبريتات عميقة الجذور
تشارك في الدورة بواسطة مجموعة أخرى من الكائنات الحية الدقيقة التي تختزل الكبريتات إلى كبريتيد الهيدروجين.
دورة الفوسفور.خزان الفوسفور
تكمن مركباتها في الصخور. بسبب الغسل
يدخل في أنظمة الأنهار ويستخدم جزئيًا بواسطة النباتات ، ويتم نقله جزئيًا بعيدًا إلى البحر ، حيث يستقر في الأعماق
رواسب المياه. بالإضافة إلى ذلك ، في العالم سنويًا
من 1 إلى 2 مليون طن. صخور تحتوي على الفوسفور. كبير
يتم أيضًا غسل بعض هذا الفسفور والتخلص منه
الدوران. بفضل الصيد ، يتم إرجاع جزء من الفوسفور
يصل إلى الأرض بأحجام صغيرة (حوالي 60 ألف طن من العناصر
الفوسفور العقلي في السنة).
من الأمثلة المذكورة أعلاه ، يمكن أن نرى مدى أهميتها
تلعب الكائنات الحية دورًا في تطور الطبيعة غير الحية. تؤثر أنشطتهم بشكل كبير على تكوين الغلاف الجوي وقشرة الأرض. مساهمة كبيرة في
فهم العلاقة بين الكائنات الحية وغير الحية
تم تقديمه من قبل العالم السوفيتي المتميز V.I. Vernadsky. هو
كشف الدور الجيولوجي للكائنات الحية وأظهر
أن أنشطتهم هي العامل الأكثر أهمية
تحولات الأصداف المعدنية للكوكب.
وهكذا ، فإن الكائنات الحية ، التي تعاني من تأثير عوامل الطبيعة غير الحية ، من خلال نشاطها
تغيير الظروف البيئية ، أي موائلهم. هذا يؤدي إلى تغيير في بنية المجتمع بأكمله - التكاثر الحيوي.
لقد ثبت أن النيتروجين والفوسفور والبوتاسيوم يمكن أن يكون لها أكبر تأثير إيجابي على غلة المحاصيل.
النباتات ، وبالتالي يتم إدخال هذه العناصر الثلاثة بكميات كبيرة في التربة مع الأسمدة المستخدمة في الزراعة. لذلك ، تبين أن النيتروجين والفوسفور هما العنصران الرئيسيان
وهذا سبب آخر للإغناء المتسارع للبحيرات بالمغذيات في البلدان ذات الزراعة المكثفة. التخثث هو عملية
إخماد المسطحات المائية بالمغذيات. كانت قبل-
هي ظاهرة طبيعية في البحيرات منذ الأنهار
جلب المغذيات من الصرف المحيط
المناطق. ومع ذلك ، فإن هذه العملية عادة ما تستمر ببطء شديد ، على مدى آلاف السنين.
يحدث التخثث غير الطبيعي ، الذي يؤدي إلى زيادة سريعة في إنتاجية البحيرة ، نتيجة الجريان السطحي من الأراضي الزراعية ، والتي يمكن إثرائها بمغذيات الأسمدة.
هناك أيضًا مصدران مهمان آخران للفوسفور - الصرف الصحي والمنظفات. مياه الصرف الصحيغني بالفوسفات في شكله الأصلي ومعالجته. تحتوي المنظفات المنزلية على 15٪ إلى 60٪ من الفوسفات القابل للتحلل. باختصار ، يمكن تلخيص أن التخثث يؤدي في النهاية إلى استنفاد موارد الأكسجين وموت معظم الكائنات الحية في البحيرات ، وفي الحالات القصوى في الأنهار.
الكائنات الحية في النظام البيئي مرتبطة ببعضها البعض من خلال قواسم مشتركة من الطاقة والمغذيات ، ومن الضروري التمييز بوضوح بين هذه
مفهومين. يمكن تشبيه النظام البيئي بأكمله بنظام واحد
khanizma ، تستهلك الطاقة والمغذيات للقيام بالعمل. تأتي المغذيات في الأصل من المكون اللاأحيائي للنظام ،
التي يعودون إليها في النهاية إما
منتجات النفايات ، أو بعد موت الكائنات الحية وتدميرها. وهكذا ، في النظام البيئي
دورة المغذيات الثابتة
كل من المكونات الحية وغير الحية متضمنة. تسمى هذه الدورات الدورات البيوجيوكيميائية.
تدفق الطاقة ودورات العناصر الحيوية في
النظام البيئي.
الطاقة الحيوية الحرارية
طاقة مكون الضوء
بيوجينيك الشمس
عناصر
لا حيوي
مكون
تدفق الطاقة
دورة المغذيات
على عمق عشرات الكيلومترات ، تتعرض الصخور والمعادن لضغوط عالية ومظلمة
براتور. نتيجة لذلك ، يحدث تحول (تغيير) في تركيبها ، والمعادن ، وفي بعض الأحيان التركيب الكيميائي.
va ، مما يؤدي إلى تكوين الصخور المتحولة.
يمكن أن تذوب الأجناس وتشكل الصهارة. داخلي
ترفع طاقة الأرض (أي القوى الداخلية) الصهارة إلى السطح. مع الصخور المنصهرة ، أي الصهارة ، يتم إحضار العناصر الكيميائية إلى سطح الأرض أثناء الانفجارات البركانية ، وتتجمد في سمك قشرة الأرض في شكل عمليات اقتحام. ترفع عمليات بناء الجبال الصخور العميقة والمعادن إلى سطح الأرض. هنا الصخور تتعرض للشمس والماء والحيوانات والنباتات أي. يتم تقسيمها ونقلها وترسبها كترسيب في موقع جديد. نتيجة لذلك ، تتشكل الصخور الرسوبية. تتراكم في المناطق المتحركة من قشرة الأرض ، وعند الانحناء ، تنحدر مرة أخرى إلى أعماق كبيرة (أكثر من 10 كم).
عمليات التحول والعبارات
التبلور ، والعناصر الكيميائية تعود إلى سطح الأرض. يسمى هذا "المسار" للعناصر الكيميائية بالدورة الجيولوجية الكبيرة. الدورة الجيولوجية ليست مغلقة ، لأن جزء من العناصر الكيميائية يترك الدورة الدموية: يتم حملها بعيدًا في الفضاء ، مثبتة بواسطة روابط قوية على سطح الأرض ، وجزء يأتي من الخارج ، من الفضاء ، مع النيازك.
الدورة الجيولوجية هي رحلة عالمية للعناصر الكيميائية داخل الكوكب. يقومون برحلات أقصر على الأرض داخل الفرد
مؤامراتها. البادئ الرئيسي هو المادة الحية. تمتص الكائنات الحية العناصر الكيميائية بشكل مكثف من التربة والهواء والماء. لكن في نفس الوقت يعودون. تُغسل العناصر الكيميائية من النباتات بمياه الأمطار ، وتُطلق في الغلاف الجوي أثناء التنفس ، وتترسب في التربة بعد موت الكائنات الحية. العناصر الكيميائية المرتجعة تشارك مرارًا وتكرارًا في "الرحلات" بواسطة المادة الحية. تشكل جميعها معًا الدورة البيولوجية أو الصغيرة للعناصر الكيميائية. كما أنه ليس سوطًا.
يتم حمل بعض عناصر "الرحالة" بعيدًا عن حدودها بسطحية و مياه جوفية، البعض - لأوقات مختلفة "ينطفئ" من الدورة ويبقى في الأشجار والتربة والجفت.
هناك طريق آخر للعناصر الكيميائية يمتد من أعلى إلى أسفل من القمم ومستجمعات المياه إلى الوديان وأحواض الأنهار والمنخفضات والمنخفضات. على مستجمعات المياه ، العناصر الكيميائية
يصل رجال الشرطة فقط مع هطول الأمطار في الغلاف الجوي ، ويتم حملهم مع الماء وتحت تأثير الجاذبية. يسود استهلاك المادة على المدخول ، كما يتضح من اسم المناظر الطبيعية لمستجمعات المياه - الغريب.
على المنحدرات ، تتغير حياة العناصر الكيميائية. تزداد سرعة حركتهم بشكل كبير ، وهم "محترفون
ركوب المنحدرات مثل الركاب الذين يجلسون بشكل مريح في مقصورة القطار. تسمى المناظر الطبيعية للمنحدرات بمناظر العبور.
يمكن أن "تستريح" العناصر الكيميائية من الطريق فقط في المناظر الطبيعية التراكمية (المتراكمة) ،
وضعت في المنخفضات للإغاثة. في هذه الأماكن ، غالبًا ما يظلون ، مما يخلق ظروفًا جيدة للتغذية للنباتات. في بعض الحالات ، يجب أن يتعامل الغطاء النباتي مع فائض من العناصر الكيميائية.
منذ سنوات عديدة ، تدخل الإنسان في توزيع العناصر الكيميائية. منذ بداية القرن العشرين ، أصبح النشاط البشري هو الطريقة الرئيسية لسفرهم. أثناء استخراج المعادن ، يتم إزالة كمية كبيرة من المواد من قشرة الأرض. صناعتهم
يصاحب العمل انبعاثات لعناصر كيميائية مع نفايات الإنتاج في الغلاف الجوي والماء والتربة. يلوث موائل الكائنات الحية. مناطق جديدة ذات تركيز عالٍ من المواد الكيميائية
العناصر - الشذوذ الجيوكيميائي من صنع الإنسان. إنها شائعة حول مناجم المعادن غير الحديدية (النحاس ،
قيادة). تشبه هذه المناطق أحيانًا المناظر الطبيعية على سطح القمر ، لأنها خالية عمليًا من الحياة بسبب المحتوى العالي من العناصر الضارة في التربة والمياه. من المستحيل إيقاف التقدم العلمي والتكنولوجي ، لكن يجب على الإنسان أن يتذكر أن هناك عتبة في تلوث البيئة الطبيعية لا يمكن تجاوزها ، ولا بد من تجاوزها للأمراض البشرية وحتى انقراض الحضارة.
بعد أن خلقت "مقالب" بيوجيوكيميائية ، ربما أرادت الطبيعة أن تحذر الشخص من الأنشطة غير الأخلاقية السيئة التصور ، لتظهر له بمثال واضح ما يؤدي انتهاك توزيع العناصر الكيميائية في قشرة الأرض وعلى سطحها إلى .
دروس خصوصية
بحاجة الى مساعدة في تعلم موضوع؟
سيقوم خبراؤنا بتقديم المشورة أو تقديم خدمات التدريس حول الموضوعات التي تهمك.
قم بتقديم طلبمع الإشارة إلى الموضوع الآن لمعرفة إمكانية الحصول على استشارة.
دورة بيولوجية
دعونا ننظر في الدورات التي تلعب الدور الأكبر في المحيط الحيوي ، والتي تشمل الدورات البيوجيوكيميائية للكربون والنيتروجين والأكسجين والكبريت والفوسفور.
دورة الكربون.تتعدد مصادر الكربون في الطبيعة بقدر تنوعها. وفي الوقت نفسه ، فإن ثاني أكسيد الكربون فقط ، الذي يكون إما في حالة غازية في الغلاف الجوي أو في حالة مذابة في الماء ، هو مصدر الكربون الذي يعمل كأساس للمعالجة
في المادة العضوية للكائنات الحية. تمتصه النباتات أثناء عملية التمثيل الضوئي ، وتتحول إلى سكريات ، وفي عمليات التخليق الحيوي الأخرى يتم تحويلها إلى بروتينات ، ودهون ، وما إلى ذلك. هؤلاء مواد مختلفةتعمل كغذاء كربوهيدرات للحيوانات والنباتات غير الخضراء. تحول الحيوانات والكائنات الحية الدقيقة التي تعيش في التربة النباتات الميتة وبقايا الحيوانات إلى تكوين جديد من المواد العضوية ، طبقة قوية إلى حد ما من الكتلة البنية أو السوداء - الدبال. إن معدل عمل الكائنات الحية المتحللة على الدبال ليس هو نفسه ، كما أن سلاسل الفطريات والبكتيريا التي تؤدي إلى التمعدن النهائي للكربون ذات أطوال مختلفة. في بعض الأحيان ، يمكن أن تكون السلسلة قصيرة وغير كاملة: تتراكم المخلفات العضوية على شكل خث وتشكل مستنقعات من الخث. في بعض المستنقعات ذات الغطاء السميك من طحالب الطحالب ، يمكن أن تصل طبقة الخث إلى 20 مترًا أو أكثر. هذا هو المكان الذي تتوقف فيه دورة الكربون. ترسبات المركبات العضوية الأحفورية في شكل الفحم والنفط تشير إلى ركود الدورة الدموية على مقياس الزمن الجيولوجي (الشكل 3).
يحدث ركود دورة الكربون أيضًا في الماء ، حيث يتراكم ثاني أكسيد الكربون في شكل كربونات الكالسيوم 3 (الطباشير أو الحجر الجيري أو الشعاب المرجانية) من أصل كيميائي أو حيوي. غالبًا ما تظل هذه الكتل من الكربون خارج التداول لفترات جيولوجية كاملة ، حتى يرتفع كربونات الكالسيوم CaCO3 فوق سطح البحر على شكل سلاسل جبلية. من هذه اللحظة ، يبدأ دخول الكربون والكالسيوم إلى الدورة الدموية بسبب ارتشاح الحجر الجيري عن طريق الترسيب ، تحت تأثير الأشنات ، وكذلك جذور النباتات المزهرة. تلعب الأنشطة البشرية دورًا مهمًا في دورة الكربون. تستهلك البشرية سنويًا حوالي 6 · 10 9 أطنان من الكربون الأحفوري. إذا لم يتم إزالة ثاني أكسيد الكربون المتكون نتيجة الاحتراق من الغلاف الجوي ، فإن الزيادة السنوية في محتواه في الهواء ستكون 2.3 مليون طن.على مدار المائة عام الماضية ، زاد محتوى ثاني أكسيد الكربون من 290 إلى 320 مليون طن ، وأكثر من 1/5 من هذه الزيادة تقع في العقود الماضية. وبالتالي ، فإن الزيادة الإجمالية في محتوى ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي هي فقط 1/3 كمية الغاز المنبعثة أثناء الاحتراق (في الكتلة المطلقة - 200 · 10 9 طن). يذهب باقي ثاني أكسيد الكربون إلى نمو النبات (لأنه من المعروف أن النباتات تنمو بشكل أسرع إذا كان محتوى ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي أعلى) ؛ جزء منه يذوب في مياه المحيط. على الرغم من أنه وفقًا لبعض التقديرات ، كان من الممكن أن تكون الكتلة الحيوية للأرض قد زادت بمقدار 15/10 9 أطنان خلال المائة عام الماضية ، ولكن لا يوجد دليل مباشر على ذلك.
كثافة النشاط البشري آخذ في الازدياد. يزداد سنة بعد سنة ومعدل استهلاك الوقود الأحفوري. في غضون 15 عامًا ، سيزداد محتوى ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي من 320 إلى 375 -
400 مليون طن. ستؤدي الزيادة في محتوى ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي حتماً إلى زيادة درجة حرارة سطح الأرض ، وبالتالي إلى ذوبان الأنهار الجليدية ، وزيادة مستوى المحيط وغير ذلك على قدم المساواة. عواقب وخيمة. لذلك ، تواجه البشرية مهمة إيجاد مصادر الطاقة هذه و العمليات التكنولوجية، حيث لن ينمو محتوى ثاني أكسيد الكربون في الهواء بمثل هذا المعدل الكبير. ومن المعروف أيضًا أن إزالة الغابات واستخدام الأراضي للطرق والمباني يقلل من مساحة الغطاء الأخضر للأرض ويقلل من معدل الاستيعاب. عند استخدام phytocenoses الطبيعية واستبدالها بأخرى ثقافية ، يجب على المرء أن يضع في الاعتبار الحاجة إلى الحفاظ على المستوى العام لعملية التمثيل الضوئي ، وحتى الأفضل ، لضمان صعوده.
دورة النيتروجين- عملية صعبة. على الرغم من أن النيتروجين يمثل 70 ٪ من الغلاف الجوي ، فمن الضروري إصلاحه ،
بحيث يكون في شكل مركبات كيميائية معينة. طرق تثبيت النيتروجين متنوعة للغاية (الشكل 4). يحدث تثبيت النيتروجين أثناء النشاط البركاني ، أثناء تصريف البرق في الغلاف الجوي ، عندما يحدث تأينه ، في لحظة احتراق النيازك. ومع ذلك ، فإن دورًا كبيرًا لا يضاهى في عملية تثبيت النيتروجين ينتمي إلى الكائنات الحية الدقيقة ، التي تعيش بحرية وتعيش على الجذور في عقيدات خاصة ، وأحيانًا على أوراق بعض النباتات.
لا يتم استخدام الخزان الضخم للنيتروجين الجزيئي الحر في الغلاف الجوي بشكل مباشر من قبل النباتات العليا ، حيث يتطلب الأمر الكثير من الطاقة لكسر الروابط القوية بين الذرات في جزيء N 2. يرتبط 0.001٪ فقط من نيتروجين المحيط الحيوي في الكتلة الحيوية ومستقلبات الكائنات الحية. يتم تحويل النيتروجين الجزيئي إلى حالة ملزمة في الطبيعة عن طريق الكائنات الحية الدقيقة المثبتة للنيتروجين ، والتي تشكل مركبات منه مع المجموعة الأمينية NH 2 - المنتج الرئيسي لتثبيت النيتروجين ، والذي تم تضمينه في الدورة الحيوية من قبل جميع الكائنات الحية الأخرى : ميكروبات ، نباتات ، فطريات ، حيوانات. بعد ذلك ، تتأكسد المركبات الغنية بالنيتروجين (الأمونيا ، أيونات الأمونيوم ، والأحماض الأمينية) في الماء والتربة عن طريق البكتيريا المكونة للنتريت والنترات إلى أكاسيد النيتروجين NO 2 و NO 3 ، وفي المرحلة الأخيرة من الدورة ، هذه الأكاسيد عن طريق إزالة البكتيريا مرة أخرى إلى نيتروجين جزيئي يدخل الغلاف الجوي. كل عام ، تقوم البكتيريا بتحويل ما لا يقل عن مليار طن من النيتروجين إلى شكل مقيد ، بينما لا تتجاوز كمية النيتروجين المرتبط في الأسمدة المعدنية 90 مليون طن سنويًا.
يتم تمثيل الكائنات المثبتة للنيتروجين على جذور النباتات بالبكتيريا ، وغالبًا بالفطريات. تتطور العقيدات التي تحتوي على كائنات مثبتة للنيتروجين على جذور ممثلي عائلة البقول والنباتات الأخرى ذات الانتماءات المنهجية المختلفة. غالبًا ما يكون ناتج النيتروجين الثابت لبكتيريا العقيدات التي تعيش على جذور البقوليات 350 كجم / هكتار سنويًا ، أي حوالي 100 مرة أعلى من الكائنات الحية الحرة المثبتة للنيتروجين.
ربما يكون أكبر تدخل بشري في الدورة الطبيعية هو التثبيت الصناعي للنيتروجين. وفقا ل K. Delvich (1972) ، فإن الصناعة تحدد سنويا كمية النيتروجين التي تم تثبيتها بواسطة الكائنات الحية قبل إدخال التكنولوجيا الزراعية الحديثة.
دورة الأكسجين.مما لا شك فيه أن معظم الأكسجين الموجود في الغلاف الجوي من أصل حيوي ، ولم يظهر إلا جزء صغير منه نتيجة التحلل الضوئي (تحلل الماء إلى أكسجين وهيدروجين بواسطة طاقة الضوء). دور الكائنات الحية والمواد العضوية في تكوين ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي هو أيضًا أمر لا جدال فيه. يمكن القول على وجه اليقين أن الحياة التي نشأت
أرز. 4. تقييم كمية النيتروجين الثابت المفقود والمكتسب من قبل المحيط الحيوي في عمليات مختلفة (P.Dyuvino ، M.Tang ، 1968). خلال العام ، يدخل ما يقرب من 92 مليون طن من النيتروجين الثابت إلى المحيط الحيوي (قضبان غير مظللة) ، ويعود حوالي 83 مليون طن إلى الغلاف الجوي نتيجة نزع النتروجين (قضبان مظللة). يبدو أن حوالي 9 ملايين طن "مفقودة" تترسب سنويًا في المحيط الحيوي في التربة والمياه الجوفية والبحيرات والأنهار والمحيطات
على الأرض ، أدى تدريجياً إلى ظهور التكوين الحديث للغلاف الجوي ، الذي يدعمه نشاط الكائنات الحية. من الناحية الكمية ، الأكسجين هو المكون الرئيسي للمادة الحية. إذا أخذنا في الاعتبار الماء الموجود في الأنسجة ، فعلى سبيل المثال ، يحتوي جسم الإنسان على 62.8٪ أكسجين و 19.4٪ كربون. إذا أخذنا في الاعتبار المحيط الحيوي ككل ، فإن هذا العنصر ، مقارنة بالكربون والهيدروجين ، هو العنصر الرئيسي بين المواد البسيطة.
تعقد دورة الأكسجين بشكل كبير بسبب قدرة عنصر ما على تكوين العديد من المركبات الكيميائية ، المقدمة في أشكال مختلفة. نتيجة لذلك ، هناك العديد من التدريبات التي تحدث بين الغلاف الصخري والغلاف الجوي ، أو بين الغلاف المائي وهاتين الوسطتين.
الأكسجين الموجود في الغلاف الجوي والعديد من المعادن السطحية (الكالسيت الرسوبي وخامات الحديد) من أصل حيوي. تشهد الترسبات الضخمة لأكاسيد الحديد بعد العصر الكمبري على النشاط الكبير للكائنات البدائية ، التي تربط أحيانًا كل الأكسجين الحر للغلاف المائي في كتلتها الحيوية ومستقلباتها. بدأ تكوين شاشة الأوزون في الغلاف الجوي ، القادرة على الاحتفاظ بأخطر الأشعة فوق البنفسجية ، منذ اللحظة التي وصل فيها الأكسجين إلى تركيز يقارب 1٪ من محتواه الحالي. بعد ذلك ، كانت الكائنات حقيقية النواة ذاتية التغذية قادرة على التطور في الطبقات العليا من الماء (حيث كان التدفق الشمسي هو الأقوى) ، مما زاد من كثافة التمثيل الضوئي ، وبالتالي إنتاج الأكسجين.
يعتبر استهلاك الأكسجين في الغلاف الجوي واستبداله بالمنتجين الأساسيين سريعًا جدًا. لقد تم حساب أن الأمر يستغرق 2000 عام لتجديد كامل الأكسجين الموجود في الغلاف الجوي. من ناحية أخرى ، يستغرق الأمر مليوني عام حتى تخضع جميع جزيئات الماء في الغلاف المائي للتحلل الضوئي ويتم تصنيعها مرة أخرى بواسطة الكائنات الحية. بالنسبة لثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي ، فإن دورته الكاملة تحدث بسرعة كبيرة ، حيث يستغرق تجديده بالكامل 300 عام فقط. معظم الأكسجين المنتج خلال العصور الجيولوجية لم يبقى في الغلاف الجوي ، ولكنه تم تثبيته في الغلاف الصخري على شكل كربونات ، كبريتات ، أكاسيد الحديد ، إلخ. تبلغ هذه الكتلة 5901014 طنًا مقابل 391014 طنًا من الأكسجين المنتشر في المحيط الحيوي على شكل غاز أو كبريتات مذابة في المياه المحيطية والقارية.
دورة الكبريت.الجزء السائد من دورة هذا العنصر رسوبي بطبيعته ويحدث في التربة والمياه في وجود العديد من مركبات الكبريت الغازية ، مثل كبريتيد الهيدروجين وثاني أكسيد الكبريت.
المصدر الرئيسي للكبريت المتاح للكائنات الحية هو الكبريتات المختلفة. ذوبان جيد في الماء للعديد من الكبريتات
يسهل وصول الكبريت غير العضوي إلى النظم البيئية. امتصاص الكبريتات ، واستعادتها النباتات وإنتاج الأحماض الأمينية المحتوية على الكبريت (ميثيونين ، سيستين ، سيستين).
تتحلل جميع أنواع المخلفات العضوية في التكاثر الحيوي بواسطة البكتيريا غيرية التغذية ، والتي تشكل في النهاية كبريتيد الهيدروجين من البروتينات الكبريتية الموجودة في التربة.
الطمي الأسود ، الذي يتواجد بشكل طبيعي في قاع بعض البحار (على سبيل المثال ، البحر الأسود) ، والبحيرات ، وكذلك في العديد من الخزانات القارية للمياه العذبة بعد التلوث البشري ، غنية بالكائنات الحية المتحللة للكبريت التي تعمل في ظل الظروف اللاهوائية. بعض أنواع البكتيريا مثل beggiatoa ،يمكن أن تقلل من كبريتيد الهيدروجين إلى عنصر كبريت. ومع ذلك ، هناك بكتيريا يمكنها أكسدة كبريتيد الهيدروجين مرة أخرى إلى كبريتات ، مما يزيد مرة أخرى من إمداد الكبريت المتاح للمنتجين.
المرحلة الأخيرة من دورة الكبريت هي مرحلة رسوبية بالكامل. يتكون من ترسيب هذا العنصر في ظل ظروف لاهوائية في وجود الحديد. تسمح المراحل المختلفة لهذه العملية ، خاصة تلك القابلة للعكس ، باستخدام احتياطيات الصخور الرسوبية.
وهكذا تنتهي المرحلة الأخيرة من دورة الكبريت بتراكمها البطيء والتدريجي في الصخور الرسوبية العميقة.
دورة الفوسفور.هذا العنصر هو أحد المكونات الرئيسية للمادة الحية ، حيث يتم احتوائه بكمية كبيرة إلى حد ما.
تتركز احتياطيات الفوسفور المتاحة للكائنات الحية تمامًا في الغلاف الصخري. المصادر الرئيسية للفوسفور غير العضوي هي الصخور النارية (مثل الأباتيت) أو الصخور الرسوبية (مثل الفوسفوريت). يعد الفسفور المعدني عنصرًا نادرًا في المحيط الحيوي ؛ ففي قشرة الأرض لا يتجاوز محتواه 1٪ ، وهو العامل الرئيسي الذي يحد من إنتاجية النظم البيئية. يتم سحب الفسفور غير العضوي من صخور قشرة الأرض للتداول عن طريق الترشيح والذوبان في المياه القارية. يدخل في النظم البيئية الأرضية ويتم امتصاصه من قبل النباتات ، والتي ، بمشاركتها ، تقوم بتجميع المركبات العضوية المختلفة ، وبالتالي يتم تضمينها في السلاسل الغذائية. ثم يعود الفوسفات العضوي ، إلى جانب بقايا ونفايات وإفرازات الكائنات الحية ، إلى الأرض ، حيث يتعرضون مرة أخرى للكائنات الدقيقة ويتحولون إلى مركبات أورثوفوسفات معدنية ، جاهزة للاستهلاك من قبل النباتات الخضراء وغيرها من الكائنات ذاتية التغذية.
يتم جلب الفوسفور إلى النظم البيئية المائية عن طريق جريان المياه. تعمل الأنهار باستمرار على إثراء المحيطات بالفوسفات ، مما يعزز تنمية العوالق النباتية والكائنات الحية الموجودة على مستويات مختلفة من سلاسل الغذاء البحرية أو المياه العذبة.
المسطحات المائية تتم إعادة الفوسفات المعدني إلى الماء عن طريق المحولات الحيوية. في جميع النظم البيئية المائية ، وكذلك في النظم القارية ، يحدث الفوسفور في أربعة أشكال ، على التوالي ، غير قابل للذوبان أو قابل للذوبان
بعد تتبع جميع تحولات الفوسفور على نطاق المحيط الحيوي ، يمكن للمرء أن يلاحظ أن دورته لا تغلق (الشكل 5) في النظم البيئية الأرضية ، تحدث دورة الفوسفور في ظل الظروف الطبيعية المثلى مع الحد الأدنى من الخسائر بسبب ترشيح دورة الفوسفور لا تستحق الاهتمام) في المحيط ، هذا بعيد كل البعد عن الحالة. ويرجع ذلك إلى الترسيب المستمر للمواد العضوية ، على وجه الخصوص ، بقايا الأسماك الغنية بالفوسفور ، والتي لا تستخدم أجزاء منها كغذاء من قبل ديتريتوفاج و المواد المدمرة ، التي تتراكم باستمرار في قاع البحار الفوسفور العضوي المستقر في نطاق المد والجزر وفي المياه الضحلة ، يمكن
تعود إلى الدورة بعد التمعدن ، لكن هذا لا ينطبق على الرواسب في قاع مناطق أعماق البحار ، والتي تحتل 85٪ من إجمالي مساحة المحيطات. يتم فصل الفوسفات المترسب في أعماق البحار عن المحيط الحيوي ولا يمكنه المشاركة في الدورة. بالطبع ، مثل V.A. Kovda (1968) ، لا يمكن لعناصر الدورة الرسوبية البيوجيوكيميائية أن تتراكم إلى أجل غير مسمى في قاع المحيط. تساهم الحركات التكتونية في الارتفاع البطيء للصخور الرسوبية المتراكمة في قاع الخطوط الجيولوجية إلى السطح. وبالتالي ، فإن الدورة المغلقة للعناصر الرسوبية لها مدة تقاس في الفترات الجيولوجية ، أي عشرات ومئات الملايين من السنين.
