Как происходит непрерывный круговорот углерода и других веществ в биосфере

Энергия солнца является основополагающей для всей жизни на Земле. Именно она способствует протеканию цикличного перехода веществ из неживой природы через цепь живых организмов обратно в неживую, что и называется круговоротом различных веществ в биосфере. Причем благодаря разнообразию форм химических соединений и живых организмов каждый круговорот хоть и имеет определённые законы, но в точности никогда не повторяется.

Структура Биосферы

Структура биосферы

Слово биосфера переводится как «сфера жизни», т.е. совокупность всех живых организмов. Они образуют многоуровневый комплекс взаимодействия различных экосистем на Земле. Под воздействием различных внешних и внутренних факторов биосфера постоянно изменяется.

Она растянулась на десятки километров:

  • Нижний уровень в литосфере (3,5 – 7,5 км);
  • Следующий уровень в гидросфере (10 – 11 км);
  • Верхняя граница в нижних слоях атмосферы (15 – 20 км).

Узнайте больше об экологической безопасности и социальной поддержке граждан.

Типы веществ Биосферы

Типы веществ биосферы

Единое комплексное решение по изучению биосферы вывел советский ученый Вернадский В.И. Он впервые отвел самую важную роль живому организму в развитии планеты Земля, принимая во внимание не только их настоящую деятельность, но и прошлую. Согласно учениям Вернадского, биосфера разделяется на следующие типы веществ:

  1. Живое вещество. Все живые.
  2. Биогенное вещество.
  3. Косное вещество.
  4. Биокосное вещество.

Атмосфера

Атмосфера

Атмосфера – это газовая оболочка Земли, которая разделяется на три слоя: тропосфера, стратосфера и ионосфера. Но жизненные процессы происходят только в тропосфере (на высоте до 20 км), где озоновый слой защищает живые организмы от пагубного воздействия ультрафиолетовых лучей.

Гидросфера

Гидросфера

Гидросфера – это оболочка Земли, состоящая из воды. Она включает в себя моря, океаны, реки, озера, подземные воды, ледники. Гидросфера заселена живыми организмами полностью и целиком является частью биосферы.

Литосфера

Литосфера

Литосфера – это земная кора, твердая оболочка Земли, уходит вглубь на 200 км. Поверхностный слой литосферы – нижний слой биосферы. Чем глубже, тем выше температура. При определенной глубине температура достигает такого уровня (около 1000С), что происходит процесс свертывания белков, и живые организмы выжить здесь не могут. Но живые организмы обычно обитают на глубине всего лишь нескольких метров, так как на больших глубинах возникают проблемы с поиском пищи, а грунт становится более твердый из-за преобладания горных пород.

Возникновение круговоротов

Схема круговорота углерода

Важнейший источник жизни и энергии на Земле, Солнце, и активная энергия живых организмов активизирует процесс возникновения круговоротов. Она перемещает, распределяет и формирует в определенных местах огромное количество элементов, необходимых для процессов жизнедеятельности растений и животных. Такой процесс постоянного совместного существования биотической и абиотической среды называется биогеоценозом.

Следуя закону сохранения энергии, она, возникая где-то, не исчезает в никуда, а переходит в другое состояние, расходуясь для жизни на Земле. Таким образом, формируются круговороты. Круговорот веществ не бывает замкнутый полностью, так как некоторая часть элементов выносится из системы или наоборот добавляется в нее. В результате этого действия накапливаются полезные ископаемые.

Виды круговоротов

Виды круговорота

Все элементы и вещества, содержащиеся на нашей планете, имеют ограниченное количество. Соответственно по окончанию их запасов жизнь на Земле тоже бы закончилась. Поэтому в природе проходят процессы, благодаря которым эти запасы постоянно пополняются. Это и есть круговорот веществ из живой природы в неживую и обратно.

Различают два основных вида круговоротов: большой (геологический) и малый (биологический).

Большой (геологический)

Круговорот углерода

Большой круговорот проходит благодаря взаимодействию энергии Солнца и Земли. Этот процесс идет без участия живых организмов, вследствие его происходит перераспределение веществ не только в биосфере, но и в более глубоких слоях.

Деятельность внешних и внутренних факторов направленна друг на друга и, как следствие, участвует в формировании рельефа земной поверхности: холмы, долины, овраги, морские впадины и континенты.

Под воздействием внешней солнечной энергии (экзогенных процессов) происходит формирование осадочных и изменение минеральных пород, а также перенос их на другие территории.

А под влиянием глубинных (эндогенных) процессов возникают землетрясения, перемещения земной коры, зарождение магматических сплавов и т.д.

Магматические породы выветриваясь создают осадочные горные породы. Они в свою очередь через движения земной коры проникают вглубь и под воздействием высоких температур снова превращаются в магму. Цикл начинается снова. Таким образом большой круговорот обеспечивает непрерывный обмен элементов между биосферой и более глубокими слоями Земли.

Малый (биологический)

Биологический круговорот

Малый круговорот или биологический также протекает под воздействием энергии солнца. Но в отличии от большого – только внутри границ биосферы, где живые организмы передают преобразованную энергию далее по пищевой цепочке.

Основные этапы биологического круговорота:

  • Фотосинтез.
  • Метаболизм.
  • Разложение.

Энергия солнца в растениях (продуценты) преобразуется в органические вещества. Эти вещества в качестве пищи попадают в организм животных (редуценты). А после их гибели (продуцентов и редуцентов) происходит разложение с помощью бактерий, грибов и червей (консументов).

Биологический круговорот – основа жизни в биосфере.

Важнейшие циклы

Циклы

Биогеохимический цикл описывает круговорот различных веществ между биотическими и абиотическими частями Земли с участием различных химических элементов, геологических факторов и живых организмов. Основные химэлементы и соединения, которые принимают участие в круговороте: вода, углерод, азот, сера, фосфор, кислород, свинец, ртуть, железо.

Вода

Вода

Вода важнейший элемент формирования природных и климатических условий планеты.

Вода постоянно меняет свою форму переходя из одного состояния в другое. Испаряясь из океанов, земли, растений, переходит в атмосферу в виде пара. Затем накапливаясь в облаках снова выпадает в виде осадков, попадая в водоемы и на поверхность Земли. Часть воды просачивается сквозь грунт и по грунтовым водам возвращается обратно в океан.

Углерод

Углерод

Углерод – основа всех органических соединений на Земле.

Схема круговорота углерода связана со способностью растений преобразовывать углекислый газ (CO2) в кислород (O2), а также на наличии CO2 в атмосфере и воде.

Круговорот углерода происходит через растения, животных, а также через уголь, торф, горючие сланцы и т.д.

Накапливаясь в растениях, он поступает с пищей к животным. А затем после их смерти возвращается обратно в атмосферу. Неперегнившие минерализованные органические остатки (торф, каменный уголь) также содержат в себе углерод, который при сгорании выделяется в атмосферу. Так завершается весь цикл углерода в биосфере.

Глубоким запасом углерода являются известняки и доломиты.

Азот

Азот

Азот в форме молекул находится в атмосфере. В таком виде он является питанием только для бактерий и сине-зеленых водорослей. Самые активные азотофиксирующие бактерии содержатся в корнях бобовых культур, которые перерабатывают газообразный азот в соединения, подходящие для пищевой цепочки растительного мира. Далее в процессе гниения азотосодержащие соединения, которые остались в почве после отмирания бобовых культур, преобразуются в аммиак, часть которого переходит в воздух, а часть преобразуется в питательные вещества для растений. А затем распадаясь до оксидов и молекулярного азота переходит в воздушный слой.

Сера

Сера

Круговорот серы важный этап в образовании аминокислот.

Сера поступает в воздух несколькими путями:

  • выход сероводорода из воды;
  • в виде диоксида в результате сжигания топлива;
  • сульфатами в результате выветривания горных пород.

В атмосфере соединения сероводорода и диоксида окисляются и в виде осадков попадают на почву. Часть её остается в грунте, а часть переносится водой в реки и снова в океан.

Сульфатные соединения преобразуются в органические при помощи микроорганизмов и поступают в пищу животным. После смерти животного при его разложении сера снова возвращается в грунт и служит пищей для растений.

Фосфор

Фосфор

Фосфор необходим для синтеза аденозинтрифосфорной, дезоксирибонуклеиновой, рибонуклеиновой кислот и др.

Он накапливается в горных породах и в результате их выветривания переходит в воздух. Затем с осадками попадает в грунт. Из почвы и водоемов фосфор поступает в пищеварительную цепочку растений и животных.

Большое количество фосфора уходит в пищу фитопланктону, морским животным и птицам. И в результате цикла переходит на океаническое дно, т.е. обратно в почву, но под толстый водный слой.

Кислород

Кислород

Кислород служит главным источником жизни. Фотосинтез является основой круговорота кислорода. Под воздействием энергии солнца О2 выделяется растениями в атмосферу из воды, а далее используется в процессе дыхания животных и человека.

Интересный факт! Также незначительная часть О2 выделяется из воды в процессе ее расщепления электромагнитным излучением в верхних слоях атмосферы.

Свинец

Свинец

Свинец накапливается в земной коре. При выветривании горных пород большая его часть поступает снова в почву. А остальная часть через грунтовые воды в океан.

В настоящее время круговорот свинца сильно нарушен. Больше половины выброса этого элемента связано с результатом сгорания бензина. Свинец, который выделяется в воздух, океаны и почвенный покров значительно превышает допустимые нормы. И как следствие, это привело к повышенному его содержанию в растениях, в организме людей и животных.

Ртуть

Ртуть

Ртуть редко встречается в биосфере и обладает сильной токсичностью. Но при этом она также принимает участие в круговороте веществ.

Ртуть попадает в воздух в газообразном состоянии:

  • при испарении из мирового океана;
  • с вулканическими газами;
  • с газами из термальных источников.

Затем, преобразуясь в твердые частицы, с осадками переходит обратно в грунт и гидросферу.

Железо

Железо

Железо важный элемент биосферы нашей планеты. Оно содержится в гемоглобине и во многих окислительных ферментах. Грунт с малым содержанием железа не может обеспечить полноценное питание растениям. А для некоторых микробов наличие солей железа жизненно необходимо.

Железо участвует в трех видах круговоротов: биологический, геологический и антропогенный.

Геологический круговорот железа происходит через вымывание и выветривание каменистых и горных пород соответственно, а также через извержение вулканов.

Основополагающую роль в биологическом круговороте железа играют бактерии, которые, окисляя железо, выделяют для себя энергию.

Антропогенный круговорот железа взаимосвязан с хозяйственной и промышленной деятельностью людей. В производственные процессы железо поступает из литосферы. Далее с промышленной пылью попадает в воздух. Из него в воду и почву.

Круговорот элемента в природе

Круговорот элементов в природе

В результате постоянного круговорота веществ происходит непрерывный процесс миграции различных элементов. Например, из окружающей среды животные и растения потребляют необходимые для своей жизнедеятельности элементы, которые потом при разложении этих организмов возвращаются обратно.

Обратите внимание! Биотический круговорот осуществляется при участии всех организмов биосферы. Он является основой продолжительного существования всего живого.

Дыхательный обмен

Дыхательный обмен

Для жизнедеятельности живых организмов необходимо дыхание, которое осуществляется благодаря биогеохимическому циклу кислорода, углерода и других веществ.

Данный цикл наиболее совершенен, имеет высокую способность к быстрой саморегуляции и большие запасы в атмосфере. Например, кислород участвующий в дыхательном обмене, полностью оборачивается через организмы за 2 тысячи лет, а скорость оборота СО2 составляет порядка 300 лет.

Основными поставщиками кислорода и резервуарами биологически связанного CO2 являются зеленые насаждения и леса.

Деятельность микроорганизмов

Микроорганизмы

Деятельность микроорганизмов выполняет первостепенную роль в круговороте веществ. Особенно явно она проявляется в биохимических процессах круговорота:

  • образование (синтез) органических веществ из минеральных;
  • расщепление органических соединений до минеральных.

Из этого можно сделать вывод о незаменимости и высокой важности микроорганизмов в круговороте веществ в биосфере.

Обратите внимание! Наиболее важное влияние микроорганизмы оказывают на круговорот азота, углерода, фосфора, серы и железа.

Углерод в воде и на суше

Углерод в воде и на суше

В основном на нашей планете углерод находится в виде соединения СО2, которое содержится как в воде, так и на суше.

Биогенный круговорот углерода в воздухе и воде схожи, но имеют некоторые отличия.

Первым этапом углеродного цикла в атмосфере является его поглощение живыми организмами. Дальнейшую роль в круговороте данного вещества играет фотосинтез, в результате которого в растениях происходит разделение CO2. Частично он переходит в воздух. Остальная часть накапливается в растениях, после отмирания которых, попадает в грунт. Ещё один цикл круговорота может происходить, когда растительный организм попадает на большую глубину почвы, там он после разложения превращается в полезное ископаемое на основе углерода (уголь).

В водной среде круговорот происходит за счет циркуляции растворенного в воде углерода между воздухом и водой. А также за счет распада живых организмов, которые преобразуются после смерти в известняк, отдавая углерод в воду.

Роль людей

Роль людей

Человек играет важную роль в круговороте веществ в биосфере. Можно сказать, что она отрицательна. В результате своей деятельности человек постоянно нарушает естественный цикл.

Вырубка лесов уменьшает объемы производимого кислорода и снижает уровень потребления углерода. Постоянное сжигание различных видов топлива (уголь, нефть, газ и т.д.) приводит к увеличению выброса CO2 в воздух. Получается человек увеличивает количество углерода в атмосфере и уничтожает места, где он мог бы переработаться в кислород, что приводит к дефициту последнего.

Также люди своими производственными процессами нарушают такие циклы, как: круговорот азота, серы, свинца, ртути и т.д.

Скорость биогеохимических процессов

Биогеохимические процессы

На скорость протекания биогеохимических процессов в биосфере оказывает влияние большое количество факторов:

  • вид элемента;
  • активность их взаимодействия;
  • местонахождение и др.

Например, один цикл круговорота кислорода длится около 2 тыс лет, воды – 2 млн лет, а таких редких элементов как фосфор еще больше.

Узнайте больше об эндемиках и абиотических факторах среды.

Воздействие человека на Биосферу

Воздействие человека на биосферу

Человек воздействует на развитие биосферы не только как биологический вид. Существенное влияние на окружающую среду оказывает и результат его производственной и хозяйственной деятельности.

В процессе своей жизнедеятельности человек постоянно воздействует на биосферу: вырубка лесов, осушение болот, загрязнение мирового океана, отстрел и отлов животных и рыб, постоянное и чрезмерное сжигание топлива и т.д. Это приводит к нарушению равновесия круговоротов веществ в экосистемах. И последствия этих воздействий порой крайне губительны. На уровне отдельно взятой особи данное влияние индивидуально и имеет необратимые последствия. Например, одни группы организмов могут приспособиться и мутировать, а другие – гибнут.

Таким образом, человек стал основной силой, изменяющей процессы в биосфере. И сейчас главная задача человека научиться гармонично взаимодействовать с природой, не нарушая её гармоничное развитие.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector