Геологический круговорот веществ кратко

Обновлено: 02.07.2024

Основой жизни на Земле являются круговороты веществ в биосфере и постоянный приток солнечной энергии. Круговорот веществ — цикличный, многократно повторяющийся процесс перемещения и перехода химических элементов из живых тел в соединения неживой природы и обратно. С использованием солнечной энергии на планете протекает два взаимосвязанных круговорота веществ: большой — геологический и малый — биологический.

Геологический (большой) круговорот веществ — процесс миграции веществ и природных вод, происходящий в результате воздействия абиотических факторов (факторов неживой природы). При большом геологическом круговороте, протекающем миллионы лет, горные породы разрушаются, выветриваются, вещества растворяются и попадают в Мировой океан. Именно большой круговорот поставляет живым организмам элементы питания и во многом определяет условия их существования.

Биологический (малый) круговорот веществ — процесс циркуляции веществ между растениями, животными, грибами, микроорганизмами, атмосферой и почвой. Все химические элементы, используемые в процессах жизнедеятельности организмов, постоянно перемещаются, переходя из живых тел в соединения неживой природы и обратно. Так, в природе из неорганических веществ автотрофами синтезируются органические вещества. Выделенные в процессе жизнедеятельности или после гибели организмов (как автотрофов, так и гетеротрофов) органические вещества подвергаются минерализации, то есть превращению в неорганические вещества. Эти неорганические вещества могут быть вновь использованы автотрофами для синтеза органических веществ. Возможность многократного использования веществ делает жизнь на Земле практически вечной при условии постоянного притока нужного количества энергии Солнца.

Геологический и биологический круговороты в совокупности формируют общий биогеохимический круговорот веществ, основу которого составляют циклы воды, углерода, кислорода и азота.

Большой круговорот веществ в биосфере характеризуется двумя важными моментами: он осуществляется на протяжении всего геологического развития Земли и представляет собой современный планетарный процесс, принимающий ведущее участие в дальнейшем развитии биосферы.

Геологический круговорот связан с образованием и разрушением горных пород и последующим перемещением продуктов разрушения — обломочного материала и химических элементов. Значительную роль в этих процессах играли и продолжают играть термические свойства поверхности суши и воды: поглощение и отражение солнечных лучей, теплопроводность и теплоемкость. Неустойчивый гидротермический режим поверхности Земли вместе с планетарной системой циркуляции атмосферы обусловливал геологический круговорот веществ, который на начальном этапе развития Земли, наряду с эндогенными процессами, был связан с формированием континентов, океанов и современных геосфер. Со становлением биосферы в большой круговорот включились продукты жизнедеятельности организмов. Геологический круговорот поставляет живым организмам элементы питания и во многом определяет условия их существования.

Главные химические элементы литосферы: кислород, кремний, алюминий, железо, магний, натрий, калий и другие — участвуют в большом круговороте, проходя от глубинных частей верхней мантии до поверхности литосферы. Магматическая порода, возникшая при кристаллизации

Рис. 32. Геологический (большой) круговорот веществ

Наиболее интенсивному и быстрому круговороту подвергаются легкоподвижные вещества — газы и природные воды, составляющие атмосферу и гидросферу планеты. Значительно медленнее совершает круговорот материал литосферы. В целом каждый круговорот любого химического элемента является частью общего большого круговорота веществ на Земле, и все они тесно связаны между собой. Живое вещество биосферы в этом круговороте выполняет огромную работу по перераспределению химических элементов, беспрерывно циркулирующих в биосфере, переходя из внешней среды в организмы и снова во внешнюю среду.

Малый, или биологический, круговорот веществ— это

циркуляция веществ между растениями, животными, грибами, микроорганизмами и почвой. Суть биологического круговорота заключается в протекании двух противоположных, но взаимосвязанных процессов — создания органических веществ и их разрушения. Начальный этап возникновения органических веществ обусловлен фотосинтезом зеленых растений, т. е. образованием живого вещества из углекислого газа, воды и простых минеральных соединений с использованием энергии Солнца. Растения (продуценты) извлекают из почвы в растворе молекулы серы, фосфора, кальция, калия, магния, марганца, кремния, алюминия, цинка, меди и других элементов. Растительноядные животные (консументы I порядка) поглощают соединения этих элементов уже в виде пищи растительного происхождения. Хищники (консументы II порядка) питаются растительноядными животными, потребляя пищу более сложного состава, включающую белки, жиры, аминокислоты и другие вещества. В процессе разрушения микроорганизмами (редуцентами) органических веществ отмерших растений и останков животных, в почву и водную среду поступают простые минеральные соединения, доступные для усвоения растениям, и начинается следующий виток биологического круговорота (рис. 33).

Рис. 33. Биологический круговорот веществ

Все вещества на планете находятся в процессе круговорота. Солнечная энергия вызывает на Земле два круговорота веществ: большой (геологический, биосферный) и малый (биологический).

Рис. 32. Геологический (большой) круговорот веществ

Малый, или биологический, круговорот веществ— это

Чтобы проследить взаимосвязь живой и неживой природы, необходимо понимать, как происходит круговорот веществ в биосфере.

Смысл

Круговорот веществ – это повторяющееся участие одних и тех же веществ в процессах, происходящих в литосфере, гидросфере и атмосфере.

Выделяют два типа круговорота веществ:

геологический (большой круговорот);
биологический (малый круговорот).

Движущей силой геологического круговорота веществ являются внешние (солнечная радиация, гравитация) и внутренние (энергия недр Земли, температура, давление) геологические процессы, биологического – деятельность живых существ.

Большой круговорот происходит без участия живых организмов. Под действием внешних и внутренних факторов формируется и сглаживается рельеф. В результате землетрясений, выветривания, извержения вулканов, движения земной коры образуются долины, горы, реки, холмы, формируются геологические слои.

Рис. 1. Геологический круговорот.

Биологический круговорот веществ в биосфере происходит при участии живых организмов, которые преобразуют и передают энергию по пищевой цепочке. Устойчивая система взаимодействия живого (биотического) и неживого (абиотического) веществ на определенной территории называется биогеоценозом.

Биосфера (от греч. bios — жизнь и sphaira — шар) — оболочка Земли, состав, структура и свойства которой в той или иной степени определяются настоящей или прошлой деятельностью живых организмов.

Термин биосфера впервые применил Э. Зюсс (1875), понимавший её как тонкую плёнку жизни на земной поверхности, в значительной мере определяющую лик Земли. Однако заслуга создания целостного учения о биосфере принадлежит В. И. Вернадскому, так как именно он развил представление о живом веществе как огромной геологической (биогеохимической) силе, преобразующей свою среду обитания.
Границы биосферы. Биосфера имеет определённые границы. Она занимает нижнюю часть атмосферы, верхние слои литосферы и всю гидросферу. Границы биосферы в большой степени условны. Обычно считают, что верхняя граница биосферы находится на высоте 22–24 км от поверхности Земли, где образуется озоновый экран. Здесь свободный кислород под влиянием солнечной радиации превращаётся в озон (О₂ → О₃), который образует экран и отражает губительные для живых организмов космические излучения и частично ультрафиолетовые лучи. Нижняя граница биосферы проходит по литосфере на глубине 3–4 км, а по гидросфере по дну Мирового океана, местами свыше 11 км. Более широкое распространение живых организмов ограничено лимитирующими факторами. Так, проникновению вверх препятствует космическое излучение, а проникновению вглубь — высокая температура земных недр.
Вещество биосферы. В. И. Вернадский рассматривал биосферу как область жизни, включающую наряду с организмами и среду их обитания. Он выделил в биосфере ряд типов веществ.

Типы веществ биосферы

Тип	Характеристика	Примеры
Живое	Живые организмы, населяющие нашу планету	Животные, растения, грибы, бактерии, вирусы
Косное	Неживые тела, образующиеся в результате процессов, не связанных с деятельностью живых организмов	Породы магматического и метаморфического происхождения, некоторые осадочные породы
Биогенное	Неживые тела, образующиеся в результате жизнедеятельности живых организмов	Некоторые осадочные породы: известняки, мел и др., а также нефть, газ, каменный уголь, кислород атмосферы
Биокосное	Биокосные тела, представляющие собой результат совместной деятельности живых организмов и геологических процессов	Почва, ил, кора выветривания

Круговорот веществ и поток энергии в биосфере

Круговорот углерода. Продуценты улавливают углекислый газ из атмосферы и переводят его в органические вещества, консументы поглощают углерод в виде органических веществ с телами продуцентов и консументов низших порядков, редуценты минерализуют органические вещества и возвращают углерод в атмосферу в виде углекислого газа. В Мировом океане круговорот углерода усложнен тем, что часть углерода, содержащегося в мертвых организмах, опускается на дно и накапливается в осадочных породах. Эта часть углерода выключается из биологического круговорота и поступает в геологический круговорот веществ.
Главным резервуаром биологически связанного углерода являются леса, они содержат до 500 млрд т этого элемента, что составляет 2/3 его запаса в атмосфере. Вмешательство человека в круговорот углерода (сжигание угля, нефти, газа, дегумификация) приводит к возрастанию содержания СО₂ в атмосфере и развитию парникового эффекта.

Скорость круговорота СО₂, то есть время, за которое весь углекислый газ атмосферы проходит через живое вещество, составляет около 300 лет.
Круговорот кислорода. Главным образом, круговорот кислорода происходит между атмосферой и живыми организмами. В основном свободный кислород (О₂) поступает в атмосферу в результате фотосинтеза зелёных растений, а потребляется в процессе дыхания животными, растениями и микроорганизмами и при минерализации органических остатков. Незначительное количество кислорода образуется из воды и озона под воздействием ультрафиолетовой радиации. Большое количество кислорода расходуется на окислительные процессы в земной коре, при извержении вулканов и т. д. Основная доля кислорода продуцируется растениями суши — почти 3/4, остальная часть — фотосинтезирующими организмами Мирового океана. Скорость круговорота — около 2 тыс. лет.
Установлено, что на промышленные и бытовые нужды ежегодно расходуется 23 % кислорода, который образуется в процессе фотосинтеза, и эта цифра постоянно возрастает.

Круговорот азота. Запас азота (N₂) в атмосфере огромен (78% от её объёма). Однако растения поглощать свободный азот не могут, только в связанной форме, в основном в виде NH₄ + или NO₃ - . Свободный азот из атмосферы связывают азотфиксирующие бактерии и переводят его в доступные растениям формы. В растениях азот закрепляется в органическом веществе (в белках, нуклеиновых кислотах и пр.) и передаётся по цепям питания. После отмирания живых организмов редуценты минерализуют органические вещества и превращают их в аммонийные соединения, нитраты, нитриты, а также в свободный азот, который возвращается в атмосферу.
Нитраты и нитриты хорошо растворимы в воде и могут мигрировать в подземные воды и растения и передаваться по пищевым цепям. Если их количество излишне велико (такое часто наблюдается при неправильном применении азотных удобрений), то происходит загрязнение вод и продуктов питания, что вызывает заболевания человека.

Воздействие человека на биосферу

Важнейшие экологические проблемы современности

Загрязнение окружающей среды. Загрязнение — привнесение в окружающую среду или возникновение в ней новых (обычно не характерных для нее) вредных химических, физических, биологических агентов. Загрязнение может возникать в результате естественных причин (природных) или под влиянием деятельности человека (антропогенное загрязнение).
Загрязнение окружающей среды может быть физическое (тепловое, радиоактивное, шумовое, электромагнитное, световое и др.), химическое (тяжёлые металлы, пестициды, синтетические поверхностно активные вещества — СПАВ, пластмассы, аэрозоли, детергенты и др.) и биологическое (патогенные микроорганизмы и др.).
Помимо влияния на круговорот веществ, человек оказывает воздействие на энергетические процессы в биосфере. Наиболее опасным здесь является тепловое загрязнение биосферы, связанное с использованием ядерной и термоядерной энергии. Кроме вещественного и энергетического загрязнения начинает подниматься вопрос об информационном загрязнении окружающей человека среды.
Парниковый эффект и глобальное потепление климата. Парниковый (тепличный, оранжерейный) эффект — разогрев нижних слоёв атмосферы вследствие способности атмосферы пропускать коротковолновую солнечную радиацию, но задерживать длинноволновое тепловое излучение земной поверхности. Водяной пар задерживает около 60 % теплового излучения Земли, и углекислый газ — до 18%. При отсутствии атмосферы средняя температура земной поверхности была бы –23 °C, а в действительности она составляет +15 °C.
Парниковому эффекту способствует поступление в атмосферу антропогенных примесей (диоксида углерода, метана, фреонов, оксида азота и др.). За последние 50 лет содержание углекислого газа в атмосфере возросло с 0,027 до 0,036 %. Это привело к повышению среднегодовой температуры на планете на 0,6 °С. Существуют модели, согласно которым, если температура приземного слоя атмосферы поднимется ещё на 0,6–0,7 °С, произойдёт интенсивное таяние ледников Антарктиды и Гренландии, что приведёт к повышению уровня воды в океанах и затоплению до 5 млн км 2 низменных, наиболее густо заселённых равнин.

Круговорот веществ в природе - это взаимосвязанные биологические, химические, физиологические процессы движения и видоизменения соединений, которые имеют повторяющийся характер.

Биогенные элементы

Для благоприятного функционирования всей биосферы и непрерывности ее процессов, внутри нее должны постоянно осуществляться обмены биогенных веществ, все элементы которых важны для жизни как таковой. В организмы живых существ входят те же составляющие, что и в воздух, воду, почву и минералы. Отличие только в том, что молекулы неживой природы просты и однотипны, а живые организмы состоят из множества атомов разных типов.

водород
кислород
сера
фосфор
углерод
азот
железо

Важно! Все процессы на планете взаимосвязаны, и основным условием существования жизни на планете является непрерывный оборот биогеохимических веществ.

Возникновение круговоротов

Активность живого вещества и энергетические потоки Солнца выступают движущими силами этого процесса. Они перераспределяют, концентрируют и перемещают огромное количество жизненно необходимых веществ между растениями, их корневыми системами и всеми существами на планете.

Важно! Энергия заключена в химических связях органических веществ, которая поглощена продуцентом, вследствие чего она циркулирует в круговороте.

Возникает циклический оборот энергии потому, что действует закон ее сохранения. Она не исчезает бесследно, а расходуется для жизни биосферы Земли, переходя из одного состояния в другое.

Переходят в виде пищи от организма к организму;
Выделяются в окружающий мир;
Снова приобщаются автотрофами в процессы жизнедеятельности организмов.

Структура природного цикла

Большой либо геологический
Малый либо биологический

Геологический

Испарение влаги;
Ее передвижение с воздушными потоками в состоянии пара;
Формирование облаков;
Осадки;
Подземный и поверхностный сток воды в Мировой океан.

По поверхности земной коры . Сток наполняет материковые водоемы, чьи воды стекаются в океаны. Эта вода содержит в себе растворенные химические элементы, частички почвы и гумуса.

Важно! По причине неконтролируемой вырубки лесов и безответственной деятельности человека в отношении ресурсов Земли, количество вод поверхностного стока растет с каждым годом. Это стало причиной многих экологических отклонений.

Оседает в верхних слоях земной коры . Вода впитывается и сохраняется на некоторое время в почвах для питания растений. Спустя время, переработанная в процессе фотосинтеза, она переходит в атмосферу в парообразном состоянии.
Проникает в более глубокие слои коры и образует подземные воды. Попадая в глубины Земли и заполняя ее трещины, вода вымывает растворенные минеральные вещества и доставляет их в океан.

Важно! Большой цикл круговорота никогда не повторяется в точности, как предыдущий, и проходит по спирали, а не по кругу.

Малый

Продуценты
Консументы
Запас энергии и полезных веществ
Редуценты

Все организмы вбирают в себя атомы биогенных веществ из гидросферы, литосферы и атмосферы;
В телах организмов проходят химические реакции с участием этих веществ;
После переработки микроэлементы выделяются в виде продуктов распада в окружающую среду;
Окружающий мир и все живые организмы планеты, черпая из него питательные вещества и выделяя их обратно в виде продуктов жизнедеятельности, создают общую экосистему.

Важно! Организованная таким образом жизнь на Земле продолжается уже миллионы лет. Если внести даже незначительные изменения в структуру, массу и в исходный химический состав живого вещества, можно необратимо повлиять на весь характер биологического цикла.

Восходящий поток образуется, благодаря взаимодействию окружающей среды с растениями. На этом этапе создается первичный продукт.
Нисходящий поток генерируется всеми уровнями экосистемы, которые преобразуют синтезированную продукцию в неорганические вещества.

Основные отличия круговоротов

Составляющими компонентами. В геологическом круговороте принимают участие химические вещества со всех уровней земной коры. Биологический - отличается взаимодействием только между биогенными элементами.
Длительностью . Цикл Малого оборота длится от года до сотни лет. Период Большого - тянется до сотен тысяч лет.
Движущей силой. Импульсом для геологического круговорота выступает вода, которая “путешествует” между сушей и водоемами. В Малом круговороте в этой роли выступают живые организмы, их продукты жизнедеятельности и питание.

Влияние человека

Человек, как существо биологическое, непосредственно втянут в круговорот веществ. Однако ему все труднее соблюдать баланс и кодекс невмешательства в основные природные процессы. Бесконтрольно потребляя ресурсы планеты, заполняя неперерабатываемыми отходами ее атмосферу и биосферу, человек неблагоприятно влияет на естественный круговорот. Таким образом он наносит вред себе в первую очередь. Так, излишки азотных удобрений, которыми люди щедро посыпают почвы, впитываются в глубокие слои почвы и смываются дождями с полей, попадая в воду. Так или иначе, нитраты попадают в организм человека через пищу и воду, вызывая рак и другие сбои в процессах жизнедеятельности. Необходимо помнить, что все на Земле взаимосвязано. Для гармоничной и продолжительной жизни нужно поддерживать баланс веществ в природе, учитывая особенности естественного круговорота. Для лучшего восприятия всей изложенной информации смотрите тематическое видео.

Читайте также: