Pre ekosystém je charakteristický intenzívny kolobeh látok. Kurz „Pre učiteľov biológie o základoch ekológie“

Vynikajúci ruský vedec akademik V.I. Vernadského.

Biosféra- komplexný vonkajší obal Zeme, ktorý obsahuje všetky živé organizmy a tú časť hmoty planéty, ktorá je v procese nepretržitej výmeny s týmito organizmami. Ide o jednu z najdôležitejších geosfér Zeme, ktorá je hlavnou zložkou prírodného prostredia obklopujúceho človeka.

Zem je tvorená sústrednými škrupiny(geosféry) vnútorné aj vonkajšie. Medzi vnútorné patrí jadro a plášť a vonkajšie: litosféra - skalnatý obal Zeme vrátane zemskej kôry (obr. 1) s hrúbkou 6 km (pod oceánom) až 80 km (horské systémy); hydrosféra - vodná škrupina Zeme; atmosféru- plynný obal Zeme, pozostávajúci zo zmesi rôznych plynov, vodnej pary a prachu.

Vo výške 10 až 50 km sa nachádza vrstva ozónu s maximálnou koncentráciou vo výške 20-25 km, ktorá chráni Zem pred nadmerným ultrafialovým žiarením, ktoré je pre telo smrteľné. Patrí sem aj biosféra (do vonkajších geosfér).

Biosféra - vonkajší obal Zeme, ktorý zahŕňa časť atmosféry do výšky 25-30 km (až po ozónovú vrstvu), takmer celú hydrosféru a vrchnú časť litosféry do hĺbky približne 3 km

Ryža. 1. Schéma stavby zemskej kôry

(obr. 2). Zvláštnosťou týchto častí je, že sú obývané živými organizmami, ktoré tvoria živú hmotu planéty. Interakcia abiotická časť biosféry- vzduch, voda, horniny a organické látky - biotas spôsobili tvorbu pôd a sedimentárnych hornín.

Ryža. 2. Štruktúra biosféry a pomer povrchov, ktoré zaberajú základné štruktúrne jednotky

Kolobeh látok v biosfére a ekosystémoch

Všetky chemické zlúčeniny dostupné pre živé organizmy v biosfére sú obmedzené. Úbytok chemických látok vhodných na asimiláciu často brzdí vývoj určitých skupín organizmov v miestnych oblastiach pevniny alebo oceánov. Podľa akademika V.R. Williams, jediný spôsob, ako poskytnúť konečné vlastnosti nekonečna, je prinútiť ho otáčať sa pozdĺž uzavretej krivky. V dôsledku toho je stabilita biosféry zachovaná vďaka kolobehu látok a energetických tokov. K dispozícii dva hlavné cykly látok: veľký – geologický a malý – biogeochemický.

Veľký geologický cyklus(obr. 3). Kryštalické horniny (vyvrelé) sa vplyvom fyzikálnych, chemických a biologických faktorov premieňajú na sedimentárne horniny. Piesok a íl sú typické sedimenty, produkty premeny hlbinných hornín. K tvorbe sedimentov však nedochádza len deštrukciou existujúcich hornín, ale aj syntézou biogénnych minerálov – kostry mikroorganizmov – z prírodných zdrojov – vôd oceánu, morí a jazier. Voľné vodnaté sedimenty, ktoré sú na dne nádrží izolované novými časťami sedimentárneho materiálu, ponorené do hĺbky a vystavené novým termodynamickým podmienkam (vyššie teploty a tlaky), strácajú vodu, tvrdnú a premieňajú sa na sedimentárne horniny.

Následne sa tieto horniny ponoria do ešte hlbších horizontov, kde prebiehajú procesy ich hĺbkovej premeny na nové teplotné a tlakové pomery - procesy metamorfózy.

Vplyvom endogénnych energetických tokov sa hlbinné horniny tavia, pričom vzniká magma – zdroj nových vyvrelín. Potom, čo tieto horniny vystúpia na povrch Zeme, vplyvom zvetrávania a transportných procesov sa opäť premenia na nové sedimentárne horniny.

Veľký cyklus je teda spôsobený interakciou slnečnej (exogénnej) energie s hlbokou (endogénnou) energiou Zeme. Prerozdeľuje látky medzi biosféru a hlbšie horizonty našej planéty.

Ryža. 3. Veľký (geologický) cyklus látok (tenké šípky) a zmeny v diverzite v zemskej kôre (plné široké šípky - rast, zlomené šípky - pokles diverzity)

Pri Veľkom Gyre Nazýva sa aj kolobeh vody medzi hydrosférou, atmosférou a litosférou, ktorý je poháňaný energiou Slnka. Voda sa vyparuje z povrchu nádrží a pevniny a potom sa vracia na Zem vo forme zrážok. Nad oceánom prevyšuje výpar zrážky, nad pevninou je to naopak. Tieto rozdiely sú kompenzované prietokmi riek. Pozemná vegetácia hrá dôležitú úlohu v globálnom vodnom cykle. Transpirácia rastlín v určitých oblastiach zemského povrchu môže predstavovať až 80-90% zrážok, ktoré tu spadajú, a v priemere pre všetky klimatické zóny - asi 30%. Na rozdiel od veľkého cyklu sa malý cyklus látok vyskytuje iba v biosfére. Vzťah medzi veľkým a malým vodným cyklom je znázornený na obr. 4.

Cykly v planetárnom meradle sú tvorené nespočetnými lokálnymi cyklickými pohybmi atómov poháňanými životne dôležitou činnosťou organizmov v jednotlivých ekosystémoch a pohybmi spôsobenými krajinnými a geologickými príčinami (povrchový a podzemný odtok vody, veterná erózia, pohyb morského dna, vulkanizmus, budovanie hôr). , atď. ).

Ryža. 4. Vzťah medzi veľkým geologickým cyklom (GGC) vody a malým biogeochemickým cyklom (SBC) vody

Na rozdiel od energie, ktorú telo raz spotrebuje, sa premení na teplo a stratí sa, látky cirkulujú v biosfére a vytvárajú biogeochemické cykly. Z viac ako deväťdesiatich prvkov, ktoré sa nachádzajú v prírode, potrebujú živé organizmy asi štyridsať. Tie najdôležitejšie sú potrebné vo veľkých množstvách – uhlík, vodík, kyslík, dusík. Cykly prvkov a látok sa uskutočňujú v dôsledku samoregulačných procesov, na ktorých sa podieľajú všetky zložky. Tieto procesy sú bezodpadové. Existuje zákon globálneho uzavretia biogeochemického cyklu v biosfére, fungujúci vo všetkých fázach svojho vývoja. V procese evolúcie biosféry sa zvyšuje úloha biologickej zložky pri uzatváraní biogeochemických procesov.
koho cyklus. Ľudia majú ešte väčší vplyv na biogeochemický cyklus. Ale jeho úloha sa prejavuje v opačnom smere (gyry sa otvoria). Základom biogeochemického kolobehu látok je energia Slnka a chlorofyl zelených rastlín. Ďalšie najdôležitejšie cykly – voda, uhlík, dusík, fosfor a síra – sú spojené s biogeochemickým cyklom a prispievajú k nemu.

Kolobeh vody v biosfére

Rastliny využívajú vodík vo vode počas fotosyntézy na vytváranie organických zlúčenín, pričom sa uvoľňuje molekulárny kyslík. V dýchacích procesoch všetkých živých bytostí pri oxidácii organických zlúčenín opäť vzniká voda. V histórii života všetka voľná voda v hydrosfére opakovane prešla cyklami rozkladu a novotvorby v živej hmote planéty. Do kolobehu vody na Zemi sa ročne zapojí asi 500 000 km 3 vody. Kolobeh vody a jej zásoby sú znázornené na obr. 5 (v relatívnom vyjadrení).

Cyklus kyslíka v biosfére

Za svoju jedinečnú atmosféru s vysokým obsahom voľného kyslíka vďačí Zem procesu fotosyntézy. Vznik ozónu vo vysokých vrstvách atmosféry úzko súvisí s kyslíkovým cyklom. Kyslík sa uvoľňuje z molekúl vody a je v podstate vedľajším produktom fotosyntetickej aktivity v rastlinách. Abioticky kyslík vzniká v horných vrstvách atmosféry fotodisociáciou vodnej pary, ale tento zdroj tvorí len tisíciny percenta dodávaného fotosyntézou. Medzi obsahom kyslíka v atmosfére a hydrosférou existuje tekutá rovnováha. Vo vode je to približne 21-krát menej.

Ryža. 6. Schéma kyslíkového cyklu: hrubé šípky - hlavné toky dodávky a spotreby kyslíka

Uvoľnený kyslík sa intenzívne spotrebúva pri dýchacích procesoch všetkých aeróbnych organizmov a pri oxidácii rôznych minerálnych zlúčenín. Tieto procesy prebiehajú v atmosfére, pôde, vode, bahne a horninách. Ukázalo sa, že významná časť kyslíka viazaného v sedimentárnych horninách je fotosyntetického pôvodu. Výmenný fond O v atmosfére tvorí najviac 5 % z celkovej fotosyntetickej produkcie. Mnohé anaeróbne baktérie tiež oxidujú organickú hmotu prostredníctvom procesu anaeróbneho dýchania pomocou síranov alebo dusičnanov.

Na úplný rozklad organickej hmoty vytvorenej rastlinami je potrebné presne také množstvo kyslíka, aké sa uvoľnilo pri fotosyntéze. Pochovanie organickej hmoty v sedimentárnych horninách, uhlí a rašelinách slúžilo ako základ pre udržanie fondu výmeny kyslíka v atmosfére. Všetok kyslík v ňom prejde celým cyklom cez živé organizmy za približne 2000 rokov.

V súčasnosti je značná časť vzdušného kyslíka viazaná v dôsledku dopravy, priemyslu a iných foriem antropogénnej činnosti. Je známe, že ľudstvo už minie viac ako 10 miliárd ton voľného kyslíka z celkového množstva 430-470 miliárd ton dodávaného procesmi fotosyntézy. Ak zoberieme do úvahy, že do výmenného fondu sa dostáva len malá časť fotosyntetického kyslíka, ľudská činnosť v tomto smere začína nadobúdať alarmujúce rozmery.

Cyklus kyslíka úzko súvisí s cyklom uhlíka.

Cyklus uhlíka v biosfére

Uhlík ako chemický prvok je základom života. Môže sa kombinovať s mnohými ďalšími prvkami rôznymi spôsobmi a vytvárať jednoduché a zložité organické molekuly, ktoré tvoria živé bunky. Z hľadiska distribúcie na planéte je uhlík na jedenástom mieste (0,35 % hmotnosti zemskej kôry), ale v živej hmote tvorí v priemere asi 18 alebo 45 % suchej biomasy.

V atmosfére je uhlík súčasťou oxidu uhličitého CO 2 a v menšej miere metánu CH 4 . V hydrosfére je CO 2 rozpustený vo vode a jeho celkový obsah je oveľa vyšší ako v atmosfére. Oceán slúži ako silný nárazník na reguláciu CO 2 v atmosfére: so zvyšujúcou sa jeho koncentráciou vo vzduchu sa zvyšuje absorpcia oxidu uhličitého vodou. Niektoré z molekúl CO 2 reagujú s vodou za vzniku kyseliny uhličitej, ktorá sa potom disociuje na ióny HCO 3 - a CO 2 - 3. Tieto ióny reagujú s katiónmi vápnika alebo horčíka za vzniku uhličitanov. Podobné reakcie sú základom nárazníkového systému oceánu, ktorý udržiava konštantné pH vody.

Oxid uhličitý v atmosfére a hydrosfére je výmenným fondom v uhlíkovom cykle, odkiaľ ho odoberajú suchozemské rastliny a riasy. Fotosyntéza je základom všetkých biologických cyklov na Zemi. K uvoľňovaniu fixovaného uhlíka dochádza pri respiračnej aktivite samotných fotosyntetických organizmov a všetkých heterotrofov – baktérií, húb, živočíchov, ktoré sú zaradené do potravinového reťazca vďaka živej alebo odumretej organickej hmote.

Ryža. 7. Uhlíkový cyklus

Zvlášť aktívny je návrat CO2 do atmosféry z pôdy, kde sa sústreďuje činnosť početných skupín organizmov, rozkladajúcich zvyšky odumretých rastlín a živočíchov a dochádza k dýchaniu koreňových systémov rastlín. Tento integrálny proces sa nazýva „dýchanie pôdy“ a významne prispieva k doplňovaniu výmenného fondu CO2 vo vzduchu. Paralelne s procesmi mineralizácie organickej hmoty sa v pôdach tvorí humus – komplexný a stabilný molekulárny komplex bohatý na uhlík. Pôdny humus je jedným z dôležitých zásobníkov uhlíka na súši.

V podmienkach, keď je činnosť deštruktorov brzdená environmentálnymi faktormi (napríklad, keď sa v pôde a na dne nádrží vyskytuje anaeróbny režim), organická hmota nahromadená vegetáciou sa nerozkladá a časom sa mení na horniny, ako je uhlie alebo hnedé uhlie, rašelina, sapropely, ropné bridlice a iné bohaté na akumulovanú slnečnú energiu. Dopĺňajú rezervný fond uhlíka, pričom sú na dlhú dobu odpojené od biologického cyklu. Uhlík sa tiež dočasne ukladá v živej biomase, v mŕtvom odpade, v rozpustenej organickej hmote oceánu atď. Avšak hlavný uhlíkový rezervný fond písomne nie sú živé organizmy ani fosílne palivá, ale sedimentárne horniny – vápence a dolomity. Ich vznik súvisí aj s činnosťou živej hmoty. Uhlík týchto uhličitanov je na dlhú dobu pochovaný v útrobách Zeme a do kolobehu vstupuje len pri erózii, keď sú horniny obnažené v tektonických cykloch.

Biogeochemického cyklu sa zúčastňujú len zlomky percent uhlíka z celkového množstva na Zemi. Uhlík z atmosféry a hydrosféry prechádza cez živé organizmy mnohokrát. Pozemné rastliny sú schopné vyčerpať svoje zásoby vo vzduchu za 4-5 rokov, zásoby v pôdnom humuse - za 300-400 rokov. Hlavný návrat uhlíka do výmenného fondu nastáva v dôsledku činnosti živých organizmov a len jeho malá časť (tisíciny percent) je kompenzovaná uvoľňovaním z útrob Zeme ako súčasť sopečných plynov.

V súčasnosti sa ťažba a spaľovanie obrovských zásob fosílnych palív stáva silným faktorom presunu uhlíka zo zásoby do výmenného fondu biosféry.

Cyklus dusíka v biosfére

Atmosféra a živá hmota obsahujú menej ako 2 % všetkého dusíka na Zemi, no práve to podporuje život na planéte. Dusík je súčasťou najdôležitejších organických molekúl - DNA, bielkovín, lipoproteínov, ATP, chlorofylu atď.V rastlinných tkanivách je jeho pomer k uhlíku v priemere 1:30 a v morských riasach I:6. Biologický cyklus dusíka je preto tiež úzko súvisí s uhlíkom.

Molekulový dusík atmosféry je nedostupný pre rastliny, ktoré môžu tento prvok absorbovať len vo forme amónnych iónov, dusičnanov, prípadne z pôdy či vodných roztokov. Nedostatok dusíka je preto často faktorom limitujúcim primárnu produkciu – prácu organizmov spojenú s tvorbou organických látok z anorganických. Napriek tomu sa atmosférický dusík vo veľkej miere podieľa na biologickom cykle vďaka aktivite špeciálnych baktérií (fixátorov dusíka).

Amonizujúce mikroorganizmy tiež hrajú veľkú úlohu v cykle dusíka. Rozkladajú bielkoviny a iné organické látky obsahujúce dusík na amoniak. V amónnej forme je dusík čiastočne reabsorbovaný koreňmi rastlín a čiastočne je zachytávaný nitrifikačnými mikroorganizmami, čo je opakom funkcií skupiny mikroorganizmov - denitrifikátorov.

Ryža. 8. Cyklus dusíka

V anaeróbnych podmienkach v pôdach alebo vodách využívajú kyslík z dusičnanov na oxidáciu organických látok, čím získavajú energiu pre svoj život. Dusík sa redukuje na molekulárny dusík. Fixácia dusíka a denitrifikácia sú približne vyrovnané. Cyklus dusíka teda závisí predovšetkým od aktivity baktérií, pričom rastliny sa doň integrujú, využívajú medziprodukty tohto cyklu a výrazne zvyšujú rozsah cirkulácie dusíka v biosfére prostredníctvom produkcie biomasy.

Úloha baktérií v cykle dusíka je taká veľká, že ak bude zničených len 20 ich druhov, život na našej planéte zanikne.

K nebiologickej fixácii dusíka a vstupu jeho oxidov a amoniaku do pôd dochádza aj pri zrážkach pri atmosférickej ionizácii a výbojoch bleskov. Moderný priemysel hnojív fixuje atmosférický dusík na úrovniach vyšších ako je prirodzená fixácia dusíka, aby sa zvýšila produkcia plodín.

V súčasnosti ľudská činnosť stále viac ovplyvňuje cyklus dusíka, hlavne v smere prebytku jeho prenosu do viazaných foriem nad procesmi návratu do molekulárneho stavu.

Cyklus fosforu v biosfére

Tento prvok potrebný na syntézu mnohých organických látok, vrátane ATP, DNA, RNA, je absorbovaný rastlinami iba vo forme iónov kyseliny ortofosforečnej (P0 3 4 +). Patrí k prvkom, ktoré obmedzujú primárnu produkciu ako na súši, tak najmä v oceáne, keďže výmenný fond fosforu v pôdach a vodách je malý. Cyklus tohto prvku na škále biosféry nie je uzavretý.

Na súši rastliny čerpajú fosfáty z pôdy, ktoré uvoľňujú rozkladače z rozkladajúcich sa organických zvyškov. V alkalickej alebo kyslej pôde však rozpustnosť zlúčenín fosforu prudko klesá. Hlavný rezervný fond fosfátov je obsiahnutý v horninách vytvorených na dne oceánov v geologickej minulosti. Pri lúhovaní hornín časť týchto zásob prechádza do pôdy a vyplavuje sa do vodných útvarov vo forme suspenzií a roztokov. V hydrosfére sú fosfáty využívané fytoplanktónom, prechádzajú cez potravinové reťazce k iným hydrobiontom. V oceáne je však väčšina zlúčenín fosforu pochovaná so zvyškami živočíchov a rastlín na dne s následným prechodom so sedimentárnymi horninami do veľkého geologického cyklu. V hĺbke sa rozpustené fosforečnany viažu s vápnikom a vytvárajú fosfority a apatity. V biosfére v skutočnosti existuje jednosmerný tok fosforu z hornín zeme do hlbín oceánu, preto je jeho výmenný fond v hydrosfére veľmi obmedzený.

Ryža. 9. Cyklus fosforu

Suchozemské ložiská fosforitov a apatitov sa využívajú pri výrobe hnojív. Vstup fosforu do sladkej vody je jedným z hlavných dôvodov ich „kvitnutia“.

Cyklus síry v biosfére

Cyklus síry, nevyhnutný pre stavbu množstva aminokyselín, je zodpovedný za trojrozmernú štruktúru bielkovín a je udržiavaný v biosfére širokou škálou baktérií. Jednotlivé väzby v tomto cykle zahŕňajú aeróbne mikroorganizmy, ktoré oxidujú síru organických zvyškov na sírany, ako aj anaeróbne sulfátové reduktory, ktoré redukujú sírany na sírovodík. Okrem uvedených skupín sírnych baktérií oxidujú sírovodík na elementárnu síru a následne na sírany. Rastliny absorbujú iba ióny SO2-4 z pôdy a vody.

Krúžok v strede ilustruje proces oxidácie (O) a redukcie (R), ktorý vymieňa síru medzi dostupným bazénom síranov a bazénom sulfidu železa hlboko v pôde a sedimentoch.

Ryža. 10. Cyklus síry. Krúžok v strede ilustruje proces oxidácie (0) a redukcie (R), prostredníctvom ktorej sa síra vymieňa medzi zásobou dostupného síranu a zásobou sulfidov železa umiestnených hlboko v pôde a sedimentoch.

Hlavná akumulácia síry sa vyskytuje v oceáne, kde síranové ióny nepretržite prúdia z pevniny s riečnym odtokom. Keď sa sírovodík uvoľní z vody, síra sa čiastočne vráti do atmosféry, kde sa oxiduje na oxid, ktorý sa v dažďovej vode mení na kyselinu sírovú. Priemyselné využitie veľkého množstva síranov a elementárnej síry a spaľovanie fosílnych palív uvoľňuje do atmosféry veľké objemy oxidu siričitého. To poškodzuje vegetáciu, zvieratá, ľudí a slúži ako zdroj kyslých dažďov, ktoré prehlbujú negatívne účinky ľudského zásahu do kolobehu síry.

Rýchlosť obehu látok

Všetky cykly látok prebiehajú rôznymi rýchlosťami (obr. 11)

Cykly všetkých biogénnych prvkov na planéte sú teda podporované zložitou interakciou rôznych častí. Vznikajú činnosťou skupín organizmov rôznych funkcií, systémom odtoku a vyparovania spájajúcim oceán a pevninu, procesmi obehu vodných a vzdušných hmôt, pôsobením gravitačných síl, tektonikou litosférických dosiek a iných veľkých -škálové geologické a geofyzikálne procesy.

Biosféra pôsobí ako jeden komplexný systém, v ktorom sa vyskytujú rôzne cykly látok. Hlavným ťahúňom týchto cykly sú živou hmotou planéty, všetkých živých organizmov, zabezpečujúce procesy syntézy, transformácie a rozkladu organickej hmoty.

Ryža. 11. Rýchlosti obehu látok (P. Cloud, A. Jibor, 1972)

Základom ekologického pohľadu na svet je myšlienka, že každý živý tvor je obklopený mnohými rôznymi faktormi, ktoré naň vplývajú, ktoré spolu tvoria jeho biotop – biotop. teda biotop - časť územia, ktorá je homogénna z hľadiska životných podmienok pre určité druhy rastlín alebo živočíchov(svah rokliny, mestský lesopark, jazierko alebo časť veľkého jazera, ale s homogénnymi podmienkami - pobrežná časť, hlbokomorská časť).

Organizmy charakteristické pre konkrétny biotop tvoria životné spoločenstvo alebo biocenóza(živočíchy, rastliny a mikroorganizmy jazier, lúk, pobrežných pásov).

Živé spoločenstvo (biocenóza) tvorí jeden celok so svojím biotopom, ktorý je tzv ekologický systém (ekosystém). Príkladom prírodných ekosystémov je mravenisko, jazero, rybník, lúka, les, mesto, farma. Klasickým príkladom umelého ekosystému je vesmírna loď. Ako vidíte, neexistuje tu žiadna striktná priestorová štruktúra. Blízko pojmu ekosystém je pojem biogeocenóza.

Hlavnými zložkami ekosystémov sú:

• neživé (abiotické) prostredie. Sú to voda, minerály, plyny, ako aj organické látky a humus;
• biotické zložky. Patria sem: výrobcovia alebo výrobcovia (zelené rastliny), spotrebitelia alebo spotrebitelia (živé bytosti, ktoré sa živia výrobcami) a rozkladači alebo rozkladači (mikroorganizmy).

Príroda funguje mimoriadne hospodárne. Biomasa vytvorená organizmami (látka tiel organizmov) a energia, ktorú obsahujú, sa teda prenášajú na ostatných členov ekosystému: živočíchy jedia rastliny, tieto živočíchy jedia iné živočíchy. Tento proces sa nazýva potravinový alebo trofický reťazec. V prírode sa potravinové reťazce často pretínajú, vytváranie potravinovej siete.

Príklady potravinových reťazcov: rastlina – bylinožravec – predátor; obilnina - myš poľná - líška atď a potravná sieť sú znázornené na obr. 12.

Rovnovážny stav v biosfére je teda založený na interakcii biotických a abiotických faktorov prostredia, ktorá je udržiavaná prostredníctvom neustálej výmeny hmoty a energie medzi všetkými zložkami ekosystémov.

V uzavretých cirkuláciách prírodných ekosystémov je spolu s inými nevyhnutná účasť dvoch faktorov: prítomnosť rozkladačov a neustály prísun slnečnej energie. V mestských a umelých ekosystémoch je málo alebo žiadne rozkladače, takže sa hromadí tekutý, pevný a plynný odpad, ktorý znečisťuje životné prostredie.

Ryža. 12. Potravinová sieť a smer toku hmoty

Slnečná energia na Zemi spôsobuje dva cykly látok: veľké alebo geologické, najzreteľnejšie sa prejavujúce v kolobehu vody a atmosférickej cirkulácii, a malé, biologické (biotické), ktoré sa vyvíjajú na základe veľkého a pozostávajú z nepretržitého, cyklického, ale nerovnomerné v čase a priestore a sprevádzané viac či menej výraznými stratami v prirodzenom prerozdeľovaní hmoty, energie a informácií v rámci ekologických systémov rôznych úrovní organizácie.

Oba cykly sú vzájomne prepojené a predstavujú akoby jeden proces. Odhaduje sa, že všetok kyslík obsiahnutý v atmosfére prejde cez organizmy (zlúčený počas dýchania a uvoľnený počas fotosyntézy) za 2000 rokov, oxid uhličitý v atmosfére sa za 300 rokov cykluje v opačnom smere a všetka voda na Zemi sa rozloží a znovu vytvorí fotosyntézou a dýchaním za 2 000 000 rokov.

Interakciu abiotických faktorov a živých organizmov ekosystému sprevádza nepretržitá cirkulácia hmoty medzi biotopom a biocenózou vo forme striedania sa organických a minerálnych zlúčenín. Výmena chemických prvkov medzi živými organizmami a anorganickým prostredím, ktorej rôzne štádiá prebiehajú v rámci ekosystému, sa nazýva biogeochemická cirkulácia alebo biogeochemický cyklus.

Existencia takýchto cyklov vytvára príležitosť na samoreguláciu (homeostázu) systému, čo dáva ekosystému stabilitu: úžasnú stálosť percenta rôznych prvkov. Platí tu princíp fungovania ekosystémov: získavanie zdrojov a likvidácia odpadu prebieha v rámci kolobehu všetkých prvkov.

Vodný cyklus. Najvýznamnejším kolobehom na Zemi z hľadiska prenesených hmôt a spotreby energie je planetárny hydrologický cyklus - kolobeh vody.

Každú sekundu je do toho zapojených 16,5 milióna m3 vody a spotrebuje sa na to viac ako 40 miliárd MW slnečnej energie (podľa T.A. Akimova V.V. Haskin, (1994)). Ale tento kolobeh nie je len presun vodnej masy. Ide o fázové premeny, tvorbu roztokov a suspenzií, zrážanie, kryštalizáciu, procesy fotosyntézy, ako aj rôzne chemické reakcie. V tomto prostredí vznikol a pokračuje život. Voda je základným prvkom potrebným pre život. Kvantitatívne ide o najbežnejšiu anorganickú zložku živej hmoty. U ľudí tvorí voda 63% telesnej hmotnosti, v hubách - 80%, v rastlinách - 80-90% a u niektorých medúz - 98%

Voda, ako uvidíme o niečo neskôr, sa podieľa na biologickom cykle a slúži ako zdroj vodíka a kyslíka, pričom tvorí len malú časť jej celkového objemu.

V kvapalnom, tuhom a parnom skupenstve je voda prítomná vo všetkých troch hlavných zložkách biosféry: v atmosfére, hydrosfére a litosfére. Všetky vody spája spoločný pojem „hydrosféra“. Zložky hydrosféry sú navzájom prepojené neustálou výmenou a interakciou. Voda, ktorá sa neustále pohybuje z jedného stavu do druhého, robí malé a veľké cykly. Vyparovanie vody z povrchu oceánu, kondenzácia vodnej pary v atmosfére a zrážky na povrchu oceánu tvoria malý cyklus. Keď sa vodná para prenáša vzdušnými prúdmi na pevninu, cyklus sa stáva oveľa zložitejším. V tomto prípade sa časť zrážok vyparí a dostane sa späť do atmosféry, druhá napája rieky a nádrže, ale nakoniec sa vráti do oceánu cez rieku a podzemný odtok, čím sa dokončí veľký cyklus.

Biotický (biologický) cyklus. Biotický (biologický) cyklus označuje obeh látok medzi pôdou, rastlinami, živočíchmi a mikroorganizmami. Biotický (biologický) cyklus je tok chemických prvkov z pôdy, vody a atmosféry do živých organizmov, premena prichádzajúcich prvkov na nové komplexné zlúčeniny a ich návrat do procesu života s každoročným poklesom časti organickej hmoty. alebo s úplne mŕtvymi organizmami zahrnutými do ekosystému. Teraz predstavíme biotický cyklus v cyklickej forme. Centrálny biotický cyklus (podľa T.A. Akimova, V.V., Khaskhina) pozostával z primitívnych jednobunkových producentov (P) a rozkladačov-deštruktorov (D). Mikroorganizmy sa dokážu rýchlo množiť a prispôsobovať rôznym podmienkam, napríklad využívať všetky druhy substrátov – zdroje uhlíka – vo svojej strave. Vyššie organizmy takéto schopnosti nemajú. V kompletných ekosystémoch môžu existovať vo forme štruktúry na základe mikroorganizmov.

Najprv sa vyvinú mnohobunkové rastliny (P) – vyšší producenti. Spolu s jednobunkovými organizmami vytvárajú organickú hmotu procesom fotosyntézy, využívajúc energiu slnečného žiarenia. Následne sa pripájajú primárni konzumenti – bylinožravé živočíchy (T), a následne mäsožraví konzumenti. Skúmali sme biotický cyklus krajiny. Plne to platí pre biotický cyklus vodných ekosystémov, napríklad oceánu.

Všetky organizmy zaberajú určité miesto v biotickom cykle a plnia svoje funkcie transformácie vetiev energetického toku, ktoré prijímajú, a prenosu biomasy. Systém jednobunkových rozkladačov (deštruktorov) všetkých spája, odosobňuje ich látky a uzatvára všeobecný kruh. Vracajú do abiotického prostredia biosféry všetky prvky potrebné pre nové a nové revolúcie.

Treba zdôrazniť najdôležitejšie vlastnosti biotického cyklu.

Fotosyntéza je silný prírodný proces, ktorý každoročne zapája do cyklu obrovské masy biosférickej hmoty a určuje jej vysoký kyslíkový potenciál.

Vplyvom oxidu uhličitého a vody sa syntetizuje organická hmota a uvoľňuje sa voľný kyslík. Priamymi produktmi fotosyntézy sú rôzne organické zlúčeniny a vo všeobecnosti je proces fotosyntézy pomerne zložitý.

Okrem fotosyntézy za účasti kyslíka, takzvanej oxygenickej fotosyntézy, by sme sa mali zamerať aj na bezkyslíkovú fotosyntézu, čiže chemosyntézu.

Chemosyntetické organizmy zahŕňajú nitrifikátory, karboxydobaktérie, sírne baktérie, tionové železité baktérie a vodíkové baktérie. Sú pomenované podľa ich oxidačných substrátov, ktorými môžu byť NH3, NO2, CO, H2S, S, Fe2+, H2. Niektoré druhy sú povinné chemolitoautotrofy, iné sú fakultatívne. Posledne uvedené zahŕňajú karboxydobaktérie a vodíkové baktérie. Chemosyntéza je charakteristická pre hlbokomorské hydrotermálne prieduchy.

Fotosyntéza prebieha, až na malé výnimky, na celom povrchu Zeme, vytvára obrovský geochemický efekt a dá sa vyjadriť ako množstvo celej hmoty uhlíka, ktorá sa ročne podieľa na výstavbe organicko - živej hmoty celej biosféry. Všeobecný kolobeh hmoty spojený s výstavbou organickej hmoty prostredníctvom fotosyntézy zahŕňa aj chemické prvky ako N, P, S, ako aj kovy – K, Ca, Mg, Na, Al.

Keď organizmus zomrie, nastáva opačný proces - rozklad organickej hmoty oxidáciou, rozpadom atď. s tvorbou konečných produktov rozkladu.

V biosfére Zeme tento proces vedie k tomu, že množstvo biomasy živej hmoty má tendenciu byť do istej miery konštantné. Biomasa ekosféry (2 * 10|2t) je o sedem rádov menšia ako hmotnosť zemskej kôry (2,10|9t). Rastliny Zeme ročne vyprodukujú organickú hmotu rovnajúcu sa 1,6,10"% alebo 8% biomasy ekosféry. Deštruktory, ktoré tvoria menej ako 1% celkovej biomasy organizmov planéty, spracujú hmotu organickej hmoty, ktorá je 10 krát väčšia ako ich vlastná biomasa Priemerná doba obnovy biomasy je 12,5 roka Predpokladajme, že hmotnosť živej hmoty a produktivita biosféry boli rovnaké od kambria po súčasnosť (530 miliónov rokov), potom celkové množstvo organickej hmoty, ktorá prešla globálnym biotickým cyklom a bola využitá životom na planéte, bude 2,10" 2-5,ZL08/12,5=8,5L0|9t, čo je 4-násobok hmotnosti zemskej kôry. Čo sa týka týchto výpočtov N.S. Pechurkin (1988) napísal: „Môžeme povedať, že atómy, ktoré tvoria naše telá, boli v starých baktériách, v dinosauroch a v mamutoch.

Zákon biogénnej migrácie atómov V.I. Vernadsky uvádza: „Migrácia chemických prvkov na zemskom povrchu a v biosfére ako celku prebieha buď za priamej účasti živej hmoty (biogénna migrácia), alebo prebieha v prostredí, ktorého geochemické vlastnosti (O2, CO2, H2, atď.) sú determinovanou živou hmotou, a to ako tá, ktorá v súčasnosti obýva biosféru, ako aj tá, ktorá pôsobila na Zemi počas geologických dejín."

IN AND. Vernadského v rokoch 1928-1930 vo svojich hlbokých zovšeobecneniach týkajúcich sa procesov v biosfére dal predstavu o piatich hlavných biogeochemických funkciách živej hmoty.

Prvou funkciou je plyn.

Druhou funkciou je koncentrácia.

Tretia funkcia je redoxná.

Štvrtá funkcia je biochemická.

Piatou funkciou je biogeochemická činnosť ľudstva, pokrývajúca stále väčšie množstvo hmoty v zemskej kôre pre potreby priemyslu, dopravy a poľnohospodárstva.

Biologický cyklus sa líši v rôznych prírodných zónach a je klasifikovaný podľa súboru ukazovateľov: rastlinná biomasa, podstielka, podstielka, množstvo prvkov fixovaných v biomase atď.

Celková biomasa je najvyššia v pásme lesa a podiel podzemných orgánov v lesoch je najnižší. Potvrdzuje to index intenzity biologického cyklu – pomer hmotnosti podstielky k časti podstielky, ktorá ju tvorí.

Uhlíkový cyklus. Zo všetkých biogeochemických cyklov je uhlíkový cyklus bezpochyby najintenzívnejší. Uhlík cirkuluje vysokou rýchlosťou medzi rôznymi anorganickými prostriedkami a cez potravinové siete v rámci spoločenstiev živých organizmov.

CO a CO2 zohrávajú určitú úlohu v uhlíkovom cykle.V biosfére Zeme je uhlík často zastúpený najpohyblivejšou formou CO2. Zdrojom primárneho oxidu uhličitého v biosfére je vulkanická činnosť spojená so sekulárnym odplyňovaním plášťa a spodných horizontov zemskej kôry.

Migrácia CO2 v biosfére prebieha dvoma spôsobmi.

Prvým spôsobom je jeho vstrebávanie pri fotosyntéze za vzniku glukózy a iných organických látok, z ktorých sú vybudované všetky rastlinné tkanivá. Následne sú transportované cez potravinové reťazce a tvoria tkanivá všetkých ostatných živých bytostí v ekosystéme. Smrťou rastlín a živočíchov na povrchu dochádza k oxidácii organických látok za vzniku CO2.

Atómy uhlíka sa tiež vracajú do atmosféry pri spaľovaní organických látok. Dôležitou a zaujímavou črtou uhlíkového cyklu je, že vo vzdialených geologických epochách, pred stovkami miliónov rokov, významná časť organickej hmoty vytvorenej v procesoch fotosyntézy nebola využitá ani konzumentmi, ani rozkladačmi, ale akumulovaná v litosfére. vo forme fosílnych palív: ropa, uhlie, roponosná bridlica, rašelina atď. Tieto fosílne palivá sa ťažia v obrovských množstvách, aby pokryli energetické potreby našej priemyselnej spoločnosti. Jeho spaľovaním v istom zmysle dokončujeme uhlíkový cyklus.

Druhým spôsobom sa migrácia uhlíka uskutočňuje vytvorením karbonátového systému v rôznych zásobníkoch, kde sa CO2 transformuje na H2CO3, HCO, CO3. Pomocou vápnika (alebo horčíka) rozpusteného vo vode sa biogénnymi a abiogénnymi cestami vyzrážajú uhličitany (CaCO3). Vytvárajú sa hrubé vrstvy vápenca. Podľa A.B. Ronov, pomer zahrabaného uhlíka vo fotosyntetických produktoch k uhlíku v karbonátových horninách je 1:4. Spolu s veľkým uhlíkovým cyklom existuje aj množstvo malých uhlíkových cyklov na povrchu pevniny a v oceáne.

Vo všeobecnosti, bez antropogénneho zásahu, je obsah uhlíka v biogeochemických nádržiach: biosféra (biomasa + pôda a detritus), sedimentárne horniny, atmosféra a hydrosféra zachovaný s vysokým stupňom stálosti (podľa T.A. Akimova, V.V. Haskin (1994)) . Neustála výmena uhlíka na jednej strane medzi biosférou a na druhej strane medzi atmosférou a hydrosférou v dôsledku plynovej funkcie živej hmoty - procesov fotosyntézy, dýchania a deštrukcie, je asi 6-1010 ton/rok.Do atmosféry a hydrosféry dochádza k toku uhlíka a pri sopečnej činnosti v priemere 4,5 * 106 ton/rok Celková hmotnosť uhlíka vo fosílnych palivách (ropa, plyn, uhlie a pod.) sa odhaduje na 3,2 * 1015 ton, čo zodpovedá priemernej miere akumulácie 7 mil.t/rok Toto množstvo je v porovnaní s hmotnosťou cirkulujúceho uhlíka nepatrné a akoby vypadlo z kolobehu, stratilo sa v ňom. Stupeň otvorenosti (nedokonalosti) cyklu je teda 10"4 alebo 0,01%, a teda stupeň uzavretia je 99,99%. To na jednej strane znamená, že každý atóm uhlíka sa zúčastnil cyklu desaťtisíckrát, kým z cyklu vypadol a skončil v hĺbke. Na druhej strane, toky syntézy a rozpadu organických látok v biosfére sú navzájom prispôsobené s veľmi vysokou presnosťou.

0,2 % mobilnej zásoby uhlíka je v neustálom obehu. Uhlík z biomasy sa obnovuje za 12 rokov, v atmosfére - za 8 rokov.

Cyklus kyslíka. Kyslík (O2) hrá dôležitú úlohu v živote väčšiny živých organizmov na našej planéte. Z kvantitatívneho hľadiska ide o hlavnú zložku živej hmoty. Napríklad, ak vezmeme do úvahy vodu obsiahnutú v tkanivách, ľudské telo obsahuje 62,8 % kyslíka a 19,4 % uhlíka. Vo všeobecnosti je tento prvok v biosfére v porovnaní s uhlíkom a vodíkom hlavným prvkom jednoduchých látok. V rámci biosféry dochádza k rýchlej výmene kyslíka so živými organizmami alebo ich pozostatkami po smrti. Rastliny spravidla produkujú voľný kyslík a zvieratá ho spotrebúvajú dýchaním. Ako najrozšírenejší a najmobilnejší prvok na Zemi kyslík neobmedzuje existenciu a funkcie ekosféry, hoci dostupnosť kyslíka pre vodné organizmy môže byť dočasne obmedzená. Cyklus kyslíka v biosfére je mimoriadne zložitý, pretože s ním reaguje veľké množstvo organických a anorganických látok. V dôsledku toho dochádza k mnohým epicyklom, ktoré sa vyskytujú medzi litosférou a atmosférou alebo medzi hydrosférou a týmito dvoma prostrediami. Cyklus kyslíka je v niektorých ohľadoch podobný reverznému cyklu oxidu uhličitého. Pohyb jedného nastáva v smere opačnom k ​​pohybu druhého.

Spotreba vzdušného kyslíka a jeho nahradenie prvovýrobcami nastáva pomerne rýchlo. Úplná obnova všetkého atmosférického kyslíka teda trvá 2000 rokov. V súčasnosti nedochádza k akumulácii kyslíka v atmosfére a jeho obsah (20,946 %) zostáva konštantný.

Vo vyšších vrstvách atmosféry pri pôsobení ultrafialového žiarenia na kyslík vzniká ozón – O3.

Asi 5% slnečnej energie dopadajúcej na Zem sa spotrebuje na tvorbu ozónu - asi 8,6 * 1015 W. Reakcie sú ľahko reverzibilné. Pri rozpade ozónu sa táto energia uvoľňuje, čo udržuje vysoké teploty vo vyšších vrstvách atmosféry. Priemerná koncentrácia ozónu v atmosfére je asi 106 obj. %; maximálna koncentrácia O3 - do 4-10 "* obj.% - sa dosahuje vo výškach 20-25 km (T.A. Akimova, V.V. Haskin, 1998).

Ozón slúži ako druh UV filtra: blokuje značnú časť tvrdých ultrafialových lúčov. Pravdepodobne bola tvorba ozónovej vrstvy jednou z podmienok, aby sa život vynoril z oceánu a kolonizoval pevninu.

Väčšina kyslíka produkovaného počas geologických epoch nezostala v atmosfére, ale bola fixovaná litosférou vo forme uhličitanov, síranov, oxidov železa atď. Táto hmotnosť je 590 * 1014 ton oproti 39 * 1014 tonám kyslíka, ktorý cirkuluje v biosfére vo forme plynu alebo síranov rozpustených v kontinentálnych a oceánskych vodách.

Cyklus dusíka. Dusík je esenciálny biogénny prvok, keďže je súčasťou bielkovín a nukleových kyselín. Cyklus dusíka je jedným z najzložitejších, pretože zahŕňa plynnú aj minerálnu fázu a zároveň najideálnejšie cykly.

Cyklus dusíka úzko súvisí s cyklom uhlíka. Dusík spravidla nasleduje po uhlíku, spolu s ktorým sa podieľa na tvorbe všetkých bielkovinových látok.

Atmosférický vzduch, obsahujúci 78% dusíka, je nevyčerpateľnou zásobárňou. Väčšina živých organizmov však tento dusík nedokáže priamo využiť. Aby bol dusík absorbovaný rastlinami, musí byť súčasťou amónnych (NH*) alebo dusičnanových (NO3) iónov.

Plynný dusík sa v dôsledku práce denitrifikačných baktérií neustále uvoľňuje do atmosféry a fixačné baktérie ho spolu s modrozelenými riasami (cyanofyty) neustále absorbujú a premieňajú na dusičnany.

Cyklus dusíka je jasne viditeľný na úrovni deštruktorov. Proteíny a iné formy organického dusíka obsiahnuté v rastlinách a živočíchoch po ich smrti sú vystavené pôsobeniu heterotrofných baktérií, aktinomycét, húb (bioredukujúcich mikroorganizmov), ktoré si vyrábajú potrebnú energiu redukciou tohto organického dusíka, premenou na amoniak.

V pôdach prebieha proces nitrifikácie pozostávajúci z reťazca reakcií, kde za účasti mikroorganizmov dochádza k oxidácii amónneho iónu (NH4+) na dusitan (NO~) alebo dusitanu na dusičnan (N0~). Redukcia dusitanov a dusičnanov na plynné zlúčeniny molekulárny dusík (N2) alebo oxid dusný (N20) je podstatou procesu denitrifikácie.

K tvorbe dusičnanov anorganicky v malých množstvách neustále dochádza v atmosfére väzbou atmosférického dusíka s kyslíkom počas elektrických výbojov počas búrok a následným dopadom dažďa na povrch pôdy.

Ďalším zdrojom atmosférického dusíka sú sopky, ktoré kompenzujú straty dusíka vylúčeného z kolobehu pri sedimentácii alebo ukladaní na dno oceánov.

Vo všeobecnosti priemerná zásoba dusičnanového dusíka abiotického pôvodu pri depozícii z atmosféry do pôdy nepresahuje 10 kg (rok/ha), voľné baktérie produkujú 25 kg (rok/ha), pričom symbióza Rhizobium so strukovinami vyprodukuje v priemere 200 kg (rok/ha). Prevažná časť fixovaného dusíka sa denitrifikačnými baktériami spracuje na N2 a vráti sa späť do atmosféry. Len asi 10% amonifikovaného a nitrifikovaného dusíka je absorbované z pôdy vyššími rastlinami a končí k dispozícii mnohobunkovým zástupcom biocenóz

Cyklus fosforu. Cyklus fosforu v biosfére je spojený s metabolickými procesmi v rastlinách a zvieratách. Tento dôležitý a nevyhnutný prvok protoplazmy, obsiahnutý v suchozemských rastlinách a riasach 0,01-0,1%, živočíchy od 0,1% do niekoľkých percent, cirkuluje, postupne sa mení z organických zlúčenín na fosfáty, ktoré môžu byť opäť využité rastlinami.

Fosfor však na rozdiel od iných biofilných prvkov počas migrácie nevytvára plynnú formu. Zásobníkom fosforu nie je atmosféra ako dusík, ale minerálna časť litosféry. Hlavným zdrojom anorganického fosforu sú vyvreté horniny (apatity) alebo sedimentárne horniny (fosfority). Z hornín sa anorganický fosfor zapája do obehu vyplavovaním a rozpúšťaním v kontinentálnych vodách. Fosfor, ktorý sa dostáva do suchozemských ekosystémov a pôdy, je absorbovaný rastlinami z vodného roztoku vo forme anorganického fosfátového iónu a je súčasťou rôznych organických zlúčenín, kde sa objavuje vo forme organického fosfátu. Fosfor prechádza potravinovými reťazcami z rastlín do iných organizmov v ekosystéme.

Fosfor je transportovaný do vodných ekosystémov tečúcou vodou. Rieky neustále obohacujú oceány fosfátmi. Kde sa fosfor stáva súčasťou fytoplanktónu. Niektoré zlúčeniny fosforu migrujú v malých hĺbkach a organizmy ich spotrebujú, zatiaľ čo druhá časť sa stráca vo väčších hĺbkach. Mŕtve zvyšky organizmov vedú k akumulácii fosforu v rôznych hĺbkach.

Keď vezmeme do úvahy cyklus fosforu v meradle biosféry za relatívne krátke obdobie, možno poznamenať, že nie je úplne uzavretý. Zásoby fosforu na Zemi sú malé (obsah nepresahuje 1% v zemskej kôre), potom akýkoľvek zásah človeka do biogeochemického cyklu fosforu nesie so sebou riziko straty fosforu, čím sa jeho cyklus stáva menej uzavretým. P Duvigneau (1967) zdôraznil, že „situácia sa jedného dňa ukáže ako veľmi hrozivá a možno súhlasiť s Wellsom, Huxleym a Willsom (1939), že fosfor je najslabším článkom v reťazci života, ktorý zabezpečuje ľudskú existenciu.

Cyklus síry. Existuje množstvo plynných zlúčenín síry, ako je sírovodík H2S a oxid siričitý SO2. Prevažná časť kolobehu tohto prvku má však sedimentárny charakter a vyskytuje sa v pôde a vo vode.Dostupnosť anorganickej síry v ekosystéme je uľahčená dobrou rozpustnosťou mnohých síranov vo vode. Rastliny absorbujúce sírany ich redukujú a produkujú aminokyseliny obsahujúce síru (metionín, cysteín, cystín), ktoré zohrávajú dôležitú úlohu vo vývoji terciárnej štruktúry proteínov pri tvorbe disulfidových mostíkov medzi rôznymi zónami polypeptidového reťazca.

Mnohé základné znaky biogeochemického cyklu sú jasne viditeľné:

Rozsiahly rezervný fond v pôde a sedimentoch, menší v atmosfére.

Kľúčovú úlohu v rýchlo sa meniacom fonde zohrávajú špecializované mikroorganizmy, ktoré vykonávajú určité oxidačné alebo redukčné reakcie. Vďaka procesom oxidácie a redukcie dochádza k výmene síry medzi dostupnými síranmi (SO2") a sulfidmi železa umiestnenými hlboko v pôde a sedimentoch. Reakcie vykonávajú špecializované mikroorganizmy:

H2S --> S --> SO2 - bezfarebné, zelené a fialové sírne baktérie;

SO2 - "H2S (anaeróbna redukcia síranu) - Desulfovibno; H2S - "SO2" (aeróbna oxidácia sulfidu) - tiobacilus; organický S v SO a H2S - aeróbne a anaeróbne heterotrofné mikroorganizmy, v tomto poradí.

Primárna produkcia zabezpečuje začlenenie síranu do organickej hmoty a vylučovanie zvieratami slúži ako spôsob, ako vrátiť síran do kolobehu.

Mikrobiálna regenerácia z hlbokomorských sedimentov vedie k pohybu plynnej fázy H2S smerom nahor.

Interakcia geochemických a meteorologických procesov - erózia, sedimentácia, vylúhovanie, dážď, absorpcia-desorpcia atď. s biologickými procesmi - produkcia a rozklad.

Interakcia vzduchu, vody a pôdy pri regulácii cyklu v globálnom meradle.

Vo všeobecnosti si ekosystém vyžaduje menej síry v porovnaní s dusíkom a fosforom. Preto je síra menej často limitujúcim faktorom pre rastliny a zvieratá. Cyklus síry je zároveň kľúčovým v celkovom procese výroby a rozkladu biomasy. Napríklad, keď sa v sedimentoch vytvoria sulfidy železa, fosfor sa prenesie z nerozpustnej formy do rozpustnej formy a stane sa dostupným pre organizmy. Toto je potvrdenie toho, ako je jeden cyklus regulovaný druhým.

Všetky živé organizmy v procese života sú v neustálej a aktívnej interakcii s prostredím. Podstatou tejto interakcie je výmena hmoty a energie. Životne dôležitá aktivita ekosystému a obeh látok v ňom sú možné len za podmienky neustáleho toku energie. Hlavným zdrojom energie na Zemi je slnečné žiarenie. Energiu Slnka premieňajú fotosyntetické organizmy na energiu chemických väzieb organických zlúčenín. Prenos energie cez potravinové reťazce sa riadi druhým zákonom termodynamiky: premena jedného typu energie na iný nastáva stratou časti energie. Jeho prerozdeľovanie zároveň podlieha prísnej schéme: energia prijatá ekosystémom a asimilovaná výrobcami sa rozptýli alebo sa spolu s ich biomasou nezvratne presunie k spotrebiteľom prvého, druhého a ďalších rádov a následne k rozkladače s poklesom toku energie na každej trofickej úrovni. V tomto ohľade neexistuje energetický cyklus.

Na rozdiel od energie, ktorá sa v ekosystéme využíva len raz, látky sa využívajú opakovane, pretože ich spotreba a premena prebieha v kruhu. Tento cyklus uskutočňujú živé organizmy ekosystému (producenti, konzumenti, rozkladači) a nazýva sa biologický cyklus látok. Pod biologický cyklus sa vzťahuje na tok chemických prvkov z pôdy a atmosféry do živých organizmov, v ktorých sa prichádzajúce prvky premieňajú na nové komplexné zlúčeniny a ich návrat do pôdy a atmosféry v procese života.

Ekologické systémy krajiny a Svetového oceánu viažu a prerozdeľujú slnečnú energiu, atmosférický uhlík, vlhkosť, kyslík, vodík, fosfor, dusík, síru, vápnik a ďalšie prvky. Životne dôležitá aktivita rastlinných organizmov (producentov) a ich interakcie so zvieratami (spotrebitelia), mikroorganizmami (rozkladačmi) a neživou prírodou poskytuje mechanizmus na akumuláciu a prerozdelenie slnečnej energie vstupujúcej na Zem.

Najdôležitejším aspektom existencie života na Zemi sú cykly (biogeochemické cykly), na ktorých sa podieľa voda a hlavné biogénne chemické prvky - C, H, O, N, P, S, Fe, Mg, Mo, Mn, Cu, Zn, Ca, Na, K atď. Všetky cykly pozostávajú z dvoch fáz: organické(počas ktorého je látka alebo prvok súčasťou živých organizmov) a anorganické. Postupné prechody látky z jednej fázy do druhej sa vyskytujú nespočetnekrát. Takže napríklad ročne prechádza organickou fázou a vracia sa do anorganickej 1/7 všetkého oxidu uhličitého a 1/4500 kyslíka v atmosfére; Odhaduje sa, že všetka voda sa obráti za 2 milióny rokov.

Ako príklad uveďme cyklus dusíka, jeden z najdôležitejších chemických prvkov živých organizmov. Dusík je stavebným materiálom pre bielkoviny, nukleové kyseliny, zložka ATP, chlorofyl, hemoglobín atď.

Dusík je v biosfére distribuovaný mimoriadne nerovnomerne. Pôda ho obsahuje len 0,02 až 0,5 % a to len vďaka činnosti mikroorganizmov, niektorých rastlín a rozkladu organickej hmoty. Na povrch Zeme sa zároveň doslova tlačia milióny ton dusíka v atmosfére. Obrazne povedané, na hektár pôdy „visí“ až 80 tisíc ton tohto prvku. Napriek tomu, že v atmosfére je veľa dusíka (78%), väčšina rastlín ho nie je schopná asimilovať v molekulárnom stave. Dusík sa stáva „prvkom života“ iba v chemických zlúčeninách – ľahko rozpustných dusičnanových a amoniakálnych soliach. Vo vzduchu však nie je viazaný dusík (aspoň na jednoduché oxidy).

Výnimkou je vypúšťanie dusíka do ovzdušia v dôsledku emisií z motorových vozidiel, tepelných elektrární, kotolní a priemyselných podnikov. Pri spaľovaní fosílnych palív (ropa, uhlie, plyn) do atmosféry Zeme sa uvoľňujú oxidy dusíka (N 2 0, N0 2), ktoré znečisťujú životné prostredie.

Len niekoľko prokaryotických (predjadrových) organizmov – niektoré typy baktérií a siníc – môže priamo využívať atmosférický dusík. Vyššie rastliny dokážu využiť dusík len v dôsledku symbiotických vzťahov s prokaryotickými organizmami viažucimi dusík - nodulovými baktériami, ktoré sa usadzujú v pletivách koreňov rastlín z čeľade bôbovitých, ako sú arašidy, sója, šošovica, fazuľa, lucerna, ďatelina , vlčí bôb a pod. Fixáciou vzdušného dusíka dodávajú hostiteľskej rastline zlúčeniny dusíka, ktoré má k dispozícii vo forme dusičnanov a dusitanov.

Mŕtve organické látky obsahujúce dusík (bielkoviny, nukleové kyseliny, močovina) sa rozkladajú amonifikačnými baktériami na amoniak. Ľahko sa rozpúšťa vo vode. Časť z nich môžu rastliny absorbovať priamo, časť sa vyplaví z pôdy a zvyšný amoniak je v dôsledku tohto procesu vystavený pôsobeniu špecializovaných baktérií. nitrifikácia - oxidácia zlúčenín obsahujúcich dusík. Korene rastlín prijímajú dusitany a dusičnany vznikajúce počas reakcie

NH4+ -> N02 - -> N03 -

V prírode sa uskutočňuje aj opačný proces - redukcia dusitanov a dusičnanov na plynné dusíkaté produkty - denitrifikácia, V dôsledku tohto procesu denitrifikačné baktérie redukujú ión NO3 - na N2. Denitrifikácia prebieha v niekoľkých fázach:

N03 - -> N02 -> - N20 -> N2

Denitrifikácia teda odstraňuje fixovaný dusík z pôdy a vody a vracia ho do atmosféry ako plynný dusík. Denitrifikácia uzatvára cyklus dusíka a zabraňuje hromadeniu oxidov dusíka, ktoré sú vo vysokých koncentráciách toxické.

Kolobeh látok nie je nikdy úplne uzavretý. Niektoré organické a anorganické látky sú prenášané mimo ekosystém a zároveň sa ich zásoby môžu dopĺňať prílevom zvonku. V niektorých prípadoch dosahuje stupeň opakovanej reprodukcie niektorých cyklov obehu látok 90-98%. Neúplné uzavretie cyklov na geologických časových mierkach vedie k hromadeniu prvkov v rôznych prírodných sférach Zeme. Takto sa hromadia minerály – uhlie, ropa, plyn, vápenec atď.

Je dokázané, že človek musí riadiť činnosť akéhokoľvek agroekosystému (lúka, pole, farma a pod.) na základe zákonitostí a princípov vývoja biosféry, ktorá sa v skutočnosti stala globálnym agroekosystémom. .

Samotná biosféra je zároveň prirodzenou súčasťou kozmogenézy, ktorej vrcholom je noogenéza- úspešný vývoj biosféry pod kontrolou mysle a práce človeka s vytvorením noosféry.

Výroba musí byť budovaná v uzavretom cykle, podobne ako biogeochemický kolobeh látok. Malo by sa vziať do úvahy, že je podporovaný energetickými tokmi, ale nedochádza k ich obehu. Ekologicky najšetrnejšia je výroba, ktorej odpad sa využíva na jej rozšírenie ako surovina, a to aj na iné produkty.

Pretrhnutie reťaze pôda – rastlina – krmivo – zviera – živočíšne produkty a odpad – pôda, napríklad pri výstavbe a prevádzke veľkých komplexov hospodárskych zvierat, vedie k hromadeniu obrovského množstva odpadu z hospodárskych zvierat, ktorého nevyužitie môže viesť k ekologickej katastrofe a iracionálnemu využívaniu - k environmentálnym a ekonomickým nákladom. Zároveň pri racionálnom využívaní odpadových vôd ako hnojív pri zavlažovaní krmovín pomocou potrubí a zavlažovacích systémov sa zvyšuje nielen produkcia krmiva, ale aj úrodnosť pôdy a environmentálna hodnota krmovín. a znížia sa náklady na hnojivá a vodu. Takéto využitie odpadových vôd si však vyžaduje náklady, ale aby boli menšie a dobre sa vyplácali, je potrebné vyvinúť technológie, ktoré by zodpovedali absorpčným a reutilizačným vlastnostiam pôdy a vegetácie a vyplatili by sa ekonomicky, t.j. musia byť dodržané štyri z vyššie uvedených pravidiel. Samotné technológie musia brať do úvahy bezprostredné a dlhodobé environmentálne dôsledky a odpovedať na otázky: pre ktorú plodinu (agrofytocenóza), kde, ako a ako, v akej forme, koľko a v akom čase poskytnúť to či ono krmivo do výrobného procesu.

Striedanie plodín, najmä krmovín, by sa malo organizovať na biosférických princípoch, berúc do úvahy, že každý druh kazí svoj biotop a nedostatočne využíva určité zdroje životného prostredia, preto každá ďalšia plodina musí tieto škody nielen neutralizovať, ale aj využiť pre svoju prosperitu. Okrem toho rôzne druhy a odrody rastlín reagujú odlišne na rytmy prostredia, vďaka čomu pestovanie správne vybraného súboru rôznych druhov a odrôd rastlín poskytuje väčšiu stabilitu produkcie ako pestovanie jednej plodiny. Striedanie plodín zabezpečuje racionálnejšie a úplnejšie využívanie prírodných a umelých materiálov a technických zdrojov.

Napríklad bôbovité trávy zvyšovaním úrodnosti pôdy, akumuláciou dusíka a jeho nedostatočným využívaním vytvárajú podmienky na ich vytláčanie plodinami, ktoré nie sú strukovinami. Preto po strukovinách, kým nie sú úplne zdegenerované, je potrebné pestovať ozimnú pšenicu, po ktorej sa umiestňujú okopaniny a kukurica (riadkové plodiny). Tie zanechávajú pôdu kyprú, takže po nich je možné pestovať medziplodiny a jarné obilniny aj bez jesennej orby pomocou tradičného náradia. V konečnom dôsledku sa striedanie plodín končí následnou plodinou, akou je ovos, ktorý má silný koreňový systém, ktorý absorbuje ťažko dostupné pôdne látky (fosfor a draslík). Po tejto plodine by sa mala pestovať plodina, ktorá obnovuje úrodnosť pôdy – strukoviny.

Štúdie ukázali, že striedanie plodín, zhutnené strednými kŕmnymi plodinami, môže nielen zlepšiť využitie slnečnej energie a vlhkosti (vrátane zavlažovania), ale tiež zabrániť kontaminácii pôdy a podzemných vôd dusičnanmi, zvýšiť obsah humusu a znížiť akumuláciu patogénnych mikroorganizmov. mikroflóry a škodcov.

Najracionálnejšie využitie hnojív a závlahovej vody sa dosahuje pri striedaní plodín. Vďaka striedaniu plodín sa variačný koeficient výroby krmív (produktov) zníži 2 až 3-krát. Najmenej stabilná produkcia sa pozoruje v monokultúre - pestovanie jednej plodiny na farme; aj kontinuálne pestovanie súboru plodín poskytuje stabilnejšiu produkciu ako monokultúra.