Кръговрат на веществата в биосферата, геоложки и биохимични видове, значение на живите организми. Характеристики на циркулацията на водата и някои вещества в биосферата Какви вещества участват в кръговрата

Изключителен руски учен академик V.I. Вернадски.

Биосфера- сложната външна обвивка на Земята, която съдържа съвкупността от живи организми и онази част от веществото на планетата, която е в процес на непрекъснат обмен с тези организми. Това е една от най-важните геосфери на Земята, която е основният компонент на природната среда, заобикаляща човека.

Земята е изградена от концентрични черупки(геосфери) вътрешни и външни. Вътрешните са ядрото и мантията, а външните са: литосфера -каменната обвивка на Земята, включително земната кора (фиг. 1) с дебелина от 6 km (под океана) до 80 km (планински системи); хидросфера -водна обвивка на Земята; атмосфера- газовата обвивка на Земята, състояща се от смес от различни газове, водни пари и прах.

На височина от 10 до 50 km има озонов слой, чиято максимална концентрация е на височина 20-25 km, предпазвайки Земята от прекомерно ултравиолетово лъчение, което е фатално за организма. Тук (към външните геосфери) принадлежи и биосферата.

биосфера -външната обвивка на Земята, която включва част от атмосферата до височина 25-30 km (до озоновия слой), почти цялата хидросфера и горната част на литосферата до дълбочина около 3 km

Ориз. 1. Схема на структурата на земната кора

(фиг. 2). Особеността на тези части е, че те са обитавани от живи организми, които съставляват живата субстанция на планетата. Взаимодействие абиотична част от биосферата- въздух, вода, скали и органични вещества - биотадоведе до образуването на почви и седиментни скали.

Ориз. 2. Структурата на биосферата и съотношението на повърхностите, заети от основните структурни единици

Кръговратът на веществата в биосферата и екосистемите

Всички химични съединения, достъпни за живите организми в биосферата, са ограничени. Изчерпаемостта на химичните вещества, подходящи за асимилация, често възпрепятства развитието на определени групи организми в местни райони на сушата или океана. Според академик V.R. Уилямс, единственият начин да дадем крайните свойства на безкрайното е да го накараме да се върти по затворена крива. Следователно стабилността на биосферата се поддържа благодарение на циркулацията на веществата и енергийните потоци. На разположение два основни цикъла на веществата: голям - геоложки и малък - биогеохимичен.

Голям геоложки цикъл(фиг. 3). Кристалните скали (магматични) под въздействието на физични, химични и биологични фактори се трансформират в седиментни скали. Пясъкът и глината са типични седименти, продукти от трансформацията на дълбоки скали. Образуването на седименти обаче възниква не само поради разрушаването на съществуващи скали, но и чрез синтеза на биогенни минерали - скелетите на микроорганизмите - от природни ресурси- водите на океаните, моретата и езерата. Разхлабени воднисти седименти, тъй като те са изолирани на дъното на резервоари от нови порции седиментен материал, потопени на дълбочина, попадайки в нови термодинамични условия (по-високи температури и налягания), губят вода, втвърдяват се, превръщайки се в седиментни скали.

В бъдеще тези скали потъват в още по-дълбоки хоризонти, където протичат процесите на тяхната дълбока трансформация към нови условия на температура и налягане - протичат процесите на метаморфизъм.

Под въздействието на ендогенни енергийни потоци дълбоките скали се претопяват, образувайки магма - източникът на нови магмени скали. След издигането на тези скали на повърхността на Земята, под въздействието на процесите на изветряне и транспорт, те отново се трансформират в нови седиментни скали.

По този начин голяма циркулация се дължи на взаимодействието на слънчевата (екзогенна) енергия с дълбоката (ендогенна) енергия на Земята. Той преразпределя веществата между биосферата и по-дълбоките хоризонти на нашата планета.

Ориз. 3. Голяма (геоложка) циркулация на веществата (тънки стрелки) и промяна в разнообразието в земната кора(плътни широки стрелки - растеж, счупени стрелки - намаляване на разнообразието)

Голям кръгнаричан още воден цикъл между хидросферата, атмосферата и литосферата, който се задвижва от енергията на слънцето. Водата се изпарява от повърхността на водните тела и сушата и след това се връща на Земята под формата на валежи. Изпарението надвишава валежите над океана и обратно над сушата. Тези разлики се компенсират от речните потоци. Земната растителност играе важна роля в глобалния воден цикъл. Транспирацията на растенията в определени райони на земната повърхност може да бъде до 80-90% от валежите, падащи тук, а средно за всички климатични зони - около 30%. За разлика от големия цикъл, малкият кръговрат на веществата се извършва само в биосферата. Връзката между големия и малкия воден цикъл е показана на фиг. 4.

Циклите в планетарен мащаб се създават от безброй локални циклични движения на атоми, задвижвани от жизнената дейност на организмите в отделните екосистеми, и тези движения, които са причинени от действието на ландшафтни и геоложки фактори (повърхностен и подземен отток, ветрова ерозия, движение на морското дъно, вулканизъм, изграждане на планини и др.).

Ориз. 4. Връзка между големия геоложки цикъл (GBC) на водата и малкия биогеохимичен цикъл (MBC) на водата

За разлика от енергията, която веднъж се използва от тялото, се превръща в топлина и се губи, веществата в биосферата циркулират, създавайки биогеохимични цикли. От повече от деветдесет елемента, открити в природата, живите организми се нуждаят от около четиридесет. Най-важните за тях са необходими в големи количества - въглерод, водород, кислород, азот. Циклите на елементите и веществата се осъществяват чрез саморегулиращи се процеси, в които участват всички компоненти. Тези процеси не са отпадъци. Съществува законът за глобалното затваряне на биогеохимичния кръговрат в биосфератадействащи на всички етапи от своето развитие. В процеса на еволюцията на биосферата ролята на биологичния компонент в затварянето на биогеохимичния
когото цикълът. Човекът оказва още по-голямо влияние върху биогеохимичния цикъл. Но неговата роля се проявява в обратна посока (циркулациите стават отворени). В основата на биогеохимичния кръговрат на веществата е енергията на Слънцето и хлорофилът на зелените растения. Други най-важни цикли - вода, въглерод, азот, фосфор и сяра - са свързани с биогеохимията и допринасят за нея.

Кръговратът на водата в биосферата

Растенията използват воден водород по време на фотосинтеза за изграждане на органични съединения, освобождавайки молекулярен кислород. В процесите на дишане на всички живи същества при окисляването на органичните съединения отново се образува вода. В историята на живота цялата свободна вода на хидросферата многократно е преминавала през цикли на разлагане и новообразуване в живата материя на планетата. Около 500 000 km 3 вода участват във водния цикъл на Земята всяка година. Водният цикъл и неговите запаси са показани на фиг. 5 (в относително изражение).

Кислородният цикъл в биосферата

Земята дължи уникалната си атмосфера с високо съдържание на свободен кислород на процеса фотосинтеза. Образуването на озон във високите слоеве на атмосферата е тясно свързано с цикъла на кислорода. Кислородът се отделя от водните молекули и е по същество страничен продуктфотосинтетична активност на растенията. Абиотично, кислородът възниква в горните слоеве на атмосферата поради фотодисоциацията на водните пари, но този източник е само хилядни от процента от тези, доставяни от фотосинтезата. Между съдържанието на кислород в атмосферата и хидросферата съществува подвижно равновесие. Във водата е около 21 пъти по-малко.

Ориз. Фиг. 6. Схема на кислородния цикъл: удебелени стрелки - основните потоци на доставка и консумация на кислород

Освободеният кислород се изразходва интензивно за процесите на дишане на всички аеробни организми и за окисляването на различни минерални съединения. Тези процеси протичат в атмосферата, почвата, водата, тиня и скали. Доказано е, че значителна част от кислорода, свързан в седиментните скали, е с фотосинтетичен произход. Обменният фонд на O в атмосферата е не повече от 5% от общото производство на фотосинтеза. Много анаеробни бактерии също окисляват органичната материя по време на анаеробно дишане, като използват за това сулфати или нитрати.

Пълното разграждане на органичната материя, създадена от растенията, изисква точно същото количество кислород, което се отделя по време на фотосинтезата. Погребването на органични вещества в седиментни скали, въглища и торф служи като основа за поддържане на кислородния обменен фонд в атмосферата. Целият кислород, който съдържа, преминава през пълен цикъл през живите организми за около 2000 години.

Понастоящем значителна част от атмосферния кислород е свързан в резултат на транспорта, промишлеността и други форми на антропогенна дейност. Известно е, че човечеството вече изразходва повече от 10 милиарда тона свободен кислород от общото му количество от 430-470 милиарда тона, доставяно от процесите на фотосинтеза. Ако вземем предвид, че обменният фонд получава само не повечето отфотосинтетичен кислород, активността на хората в това отношение започва да придобива застрашителни размери.

Цикълът на кислорода е тясно свързан с цикъла на въглерода.

Въглеродният цикъл в биосферата

Въглеродът като химичен елемент е в основата на живота. Той може различни начинисе комбинират с много други елементи, образувайки прости и сложни органични молекули, които изграждат живите клетки. По отношение на разпространението на планетата въглеродът заема единадесето място (0,35% от теглото на земната кора), но в живата материя той е средно около 18 или 45% от сухата биомаса.

В атмосферата въглеродът е включен в състава на въглеродния диоксид CO 2, в по-малка степен - в състава на метана CH 4 . В хидросферата CO 2 е разтворен във вода и общото му съдържание е много по-високо от атмосферното. Океанът служи като мощен буфер за регулиране на CO 2 в атмосферата: с увеличаване на концентрацията му във въздуха се увеличава абсорбцията на въглероден диоксид от водата. Някои от молекулите на CO 2 реагират с вода, образувайки въглеродна киселина, която след това се дисоциира на HCO 3 - и CO 2- 3 йони. Тези йони реагират с калциеви или магнезиеви катиони, за да утаят карбонати. Подобни реакции са в основата на буферната система на океана, поддържане на pH на водата постоянно.

Въглеродният диоксид на атмосферата и хидросферата е обменен фонд в кръговрата на въглерода, откъдето се черпи от сухоземните растения и водорасли. Фотосинтезата е в основата на всички биологични цикли на Земята. Освобождаването на фиксиран въглерод става по време на дихателната дейност на самите фотосинтезиращи организми и всички хетеротрофи - бактерии, гъби, животни, включени в хранителната верига за сметка на жива или мъртва органична материя.

Ориз. 7. Въглероден цикъл

Особено активно е връщането на CO 2 в атмосферата от почвата, където е концентрирана дейността на многобройни групи организми, разлагайки останките от мъртви растения и животни и се извършва дишането на кореновите системи на растенията. Този интегрален процес се нарича "дишане на почвата" и има значителен принос за попълването на обменния фонд на CO 2 във въздуха. Успоредно с процесите на минерализация на органичното вещество в почвите се образува хумус - сложен и стабилен молекулен комплекс, богат на въглерод. Почвеният хумус е един от важните резервоари на въглерод на сушата.

В условия, при които дейността на деструкторите се възпрепятства от фактори на околната среда (например, когато в почвите и на дъното на водните басейни има анаеробен режим), органичната материя, натрупана от растителността, не се разлага, превръщайки се с течение на времето в скали като въглища, торф, сапропели, нефтени шисти и други богати на акумулирана слънчева енергия. Те попълват резервния фонд от въглерод, като са изключени от биологичния цикъл за дълго време. Въглеродът също се отлага временно в жива биомаса, в мъртви отпадъци, в разтворена органична материя на океана и т.н. въпреки това основният резервен фонд от въглерод при записне са живи организми и не са горими вкаменелости, но седиментните скали са варовици и доломити.Образуването им също е свързано с дейността на живата материя. Въглеродът от тези карбонати е заровен за дълго време в недрата на Земята и навлиза в циркулацията само по време на ерозия, когато скалите са изложени на тектонични цикли.

Само части от процента въглерод от общото му количество на Земята участват в биогеохимичния цикъл. Атмосферният и хидросферният въглерод многократно преминава през живите организми. Наземните растения са в състояние да изчерпят запасите си във въздуха за 4-5 години, запасите в почвения хумус - за 300-400 години. Основното връщане на въглерода в обменния фонд се дължи на дейността на живите организми и само малка част от него (хилядни от процента) се компенсира от освобождаването от вътрешността на Земята като част от вулканични газове.

В момента добивът и изгарянето на огромни запаси от изкопаеми горива се превръща в мощен фактор за прехвърлянето на въглерод от резерва към обменния фонд на биосферата.

Азотният цикъл в биосферата

Атмосферата и живата материя съдържат по-малко от 2% от целия азот на Земята, но именно той поддържа живота на планетата. Азотът е част от най-важните органични молекули - ДНК, протеини, липопротеини, АТФ, хлорофил и др. В растителните тъкани съотношението му с въглерода е средно 1:30, а във водораслите I: 6. Биологичният цикъл на азота е следователно също тясно свързани с въглерода.

Молекулярният азот на атмосферата не е достъпен за растенията, които могат да абсорбират този елемент само под формата на амониеви йони, нитрати или от почвени или водни разтвори. Следователно липсата на азот често е фактор, ограничаващ първичното производство - работата на организмите, свързана със създаването на органични вещества от неорганични. Независимо от това, атмосферният азот е широко включен в биологичния цикъл поради дейността на специални бактерии (азотфиксатори).

Амонифициращите микроорганизми също играят важна роля в азотния цикъл. Те разграждат протеини и други азотсъдържащи органични вещества до амоняк. В амониева форма азотът частично се реабсорбира от корените на растенията и частично се улавя от нитрифициращи микроорганизми, което е противоположно на функциите на група микроорганизми - денитрификатори.

Ориз. 8. Цикъл на азота

При анаеробни условия в почвите или водите те използват кислорода на нитратите, за да окисляват органичните вещества, като получават енергия за своята жизнена дейност. Азотът се редуцира до молекулярен азот. Азотната фиксация и денитрификацията в природата са приблизително балансирани. Следователно азотният цикъл зависи предимно от бактериалната активност, докато растенията влизат в него, като използват междинните продукти на този цикъл и значително увеличават циркулацията на азот в биосферата чрез производството на биомаса.

Ролята на бактериите в азотния цикъл е толкова голяма, че ако бъдат унищожени само 20 от техните видове, животът на нашата планета ще спре.

Небиологичното фиксиране на азота и навлизането на неговите оксиди и амоняк в почвите също се случват с валежи по време на атмосферна йонизация и мълниеносни разряди. Съвременната индустрия за производство на торове фиксира атмосферния азот в повече от естествената азотна фиксация, за да увеличи производството на култури.

Понастоящем човешката дейност все повече засяга цикъла на азота, главно в посока на превишаване на превръщането му в свързани форми над процесите на връщане към молекулярно състояние.

Кръговрат на фосфора в биосферата

Този елемент, необходим за синтеза на много органични вещества, включително АТФ, ДНК, РНК, се абсорбира от растенията само под формата на йони на ортофосфорна киселина (PO 3 4 +). Той принадлежи към елементите, ограничаващи първичното производство както на сушата, така и особено в океана, тъй като обменният фонд на фосфор в почвите и водите е малък. Циркулацията на този елемент в мащаба на биосферата не е затворена.

На сушата растенията черпят фосфати от почвата, освободени от разлагащи вещества от разлагащи се органични остатъци. Въпреки това, в алкална или кисела почва, разтворимостта на фосфорните съединения рязко спада. Основният резервен фонд от фосфати се съдържа в скали, създадени на океанското дъно в геоложкото минало. В процеса на излугване на скали част от тези запаси преминават в почвата и се измиват във водни тела под формата на суспензии и разтвори. В хидросферата фосфатите се използват от фитопланктона, преминавайки през хранителните вериги към други хидробионти. В океана обаче повечето от фосфорните съединения са погребани с останките от животни и растения на дъното, последвани от преход със седиментни скали в голям геоложки цикъл. В дълбочина разтворените фосфати се свързват с калций, образувайки фосфорити и апатити. В биосферата всъщност има еднопосочен поток от фосфор от скалите на сушата към дълбините на океана, следователно обменният му фонд в хидросферата е много ограничен.

Ориз. 9. Кръговрат на фосфора

Наземните находища на фосфорити и апатити се използват за производството на торове. Попадането на фосфор в сладките води е една от основните причини за техния "цъфтеж".

Кръговрат на сярата в биосферата

Цикълът на сярата, необходим за изграждането на редица аминокиселини, е отговорен за триизмерната структура на протеините и се поддържа в биосферата от широк спектър от бактерии. В отделни връзки на този цикъл участват аеробни микроорганизми, които окисляват сярата на органичните остатъци до сулфати, както и анаеробни сулфат-редуктори, които редуцират сулфатите до сероводород. В допълнение към изброените групи серни бактерии, те окисляват сероводорода до елементарна сяра и по-нататък до сулфати. Растенията абсорбират само SO 2-4 йони от почвата и водата.

Пръстенът в центъра илюстрира процесите на окисляване (O) и редукция (R), които обменят сяра между наличния сулфатен резервоар и резервоара от железен сулфид дълбоко в почвата и седимента.

Ориз. 10. Цикъл на сярата. Пръстенът в центъра илюстрира процесите на окисление (0) и редукция (R), които обменят сяра между наличния сулфатен резервоар и резервоара от железен сулфид дълбоко в почвата и седимента.

Основното натрупване на сяра се случва в океана, където сулфатните йони непрекъснато се доставят от сушата с речен отток. Когато сероводородът се отделя от водите, сярата се връща частично в атмосферата, където се окислява до диоксид, превръщайки се в сярна киселина в дъждовната вода. Индустриалното използване на големи количества сулфати и елементарна сяра и изгарянето на изкопаеми горива отделят големи количества серен диоксид в атмосферата. Това вреди на растителността, животните, хората и служи като източник на киселинни дъждове, което изостря негативните ефекти от човешката намеса в цикъла на сярата.

Скоростта на циркулация на веществата

Всички цикли на веществата протичат с различни скорости (фиг. 11)

Така циклите на всички биогенни елементи на планетата се поддържат от сложно взаимодействие различни части. Образуват се от дейността на групи организми с различни функции, от системата на оттичане и изпарение, свързваща океана и сушата, от процесите на циркулация на водните и въздушните маси, от действието на гравитационните сили, от тектониката на литосферните плочи, и от други широкомащабни геоложки и геофизични процеси.

Биосферата действа като единна сложна система, в която протичат различни цикли на веществата. Основният двигател на тези циклите са живата субстанция на планетата, всички живи организми,осигуряване на процеси на синтез, трансформация и разлагане на органични вещества.

Ориз. 11. Скоростта на циркулация на веществата (P. Cloud, A. Jibor, 1972)

В основата на екологичния възглед за света е идеята, че всяко живо същество е заобиколено от множество различни фактори, които му влияят, които заедно образуват неговото местообитание - биотоп. следователно биотоп - част от територия, която е еднородна по отношение на условията за живот на определени видове растения или животни(склон на дере, градски лесопарк, малко езеро или част от голямо, но с еднородни условия - крайбрежната част, дълбоководната част).

Организмите, характерни за даден биотоп, са жизнена общност, или биоценоза(животни, растения и микроорганизми от езерото, ливадата, крайбрежната ивица).

Жизненото съобщество (биоценоза) образува едно цяло със своя биотоп, който се нарича екологична система (екосистема).Мравуняк, езеро, езеро, ливада, гора, град, ферма могат да служат като пример за естествени екосистеми. Класически пример за изкуствена екосистема е космически кораб. Както можете да видите, тук няма строга пространствена структура. Близко до понятието екосистема е понятието биогеоценоза.

Основните компоненти на екосистемите са:

• нежива (абиотична) среда.Това са вода, минерали, газове, както и органични вещества и хумус;
• биотични компоненти.Те включват: производители или производители (зелени растения), потребители или потребители (живи същества, които се хранят с производители) и разлагащи или разлагащи (микроорганизми).

Природата е изключително икономична. По този начин биомасата, създадена от организмите (субстанцията на телата на организмите) и съдържащата се в тях енергия се прехвърлят към други членове на екосистемата: животните ядат растения, тези животни се ядат от други животни. Този процес се нарича хранителна или трофична верига.В природата хранителните вериги често се пресичат, образуване на хранителна мрежа.

Примери за хранителни вериги: растение – тревопасно животно – хищник; житни - полска мишка - лисица и др. и хранителната мрежа са показани на фиг. 12.

По този начин състоянието на равновесие в биосферата се основава на взаимодействието на биотични и абиотични фактори на околната среда, което се поддържа благодарение на непрекъснатия обмен на материя и енергия между всички компоненти на екосистемите.

В затворените цикли на природните екосистеми, наред с други, е задължително участието на два фактора: наличието на декомпозитори и постоянен приток на слънчева енергия. В градските и изкуствените екосистеми има малко или никакви разлагащи вещества, така че течните, твърдите и газообразните отпадъци се натрупват, замърсявайки околната среда.

Ориз. 12. Хранителна мрежа и посока на потока на веществата

Биосферата е външната обвивка на нашата планета, в нея протичат най-важните процеси, една от основните й геосфери. Кръговратът на веществата в биосферата е бил и до днес остава обект на вниманието на учените в продължение на много векове. Благодарение на циркулацията на веществата се формира глобален химичен обмен за целия живот на Земята, поддържащ жизнената дейност на всеки вид, взет поотделно.

Бърза навигация по статии

Два циркуляра

Има два основни цикъла:

1. геоложки, нарича се още голям,
2. биологичен, той е малък.

Геологията е от глобално значение, тъй като циркулира веществата между водните ресурси на Земята и сушата на планетата. Той осигурява световна циркулация на водата, позната на всеки ученик: валежи, изпарения, валежи, тоест определен модел.

Системообразуващият фактор тук е водата във всичките й агрегатни състояния. Пълният цикъл на това действие позволява да се извърши произхода на организмите, тяхното развитие, възпроизводство и еволюция. Алгоритъмът на голям цикъл на оборот на материята, в допълнение към насищането на земните площи с влага, осигурява образуването на други природен феномен: образувания от седиментни скали, минерали, магмени лави и минерали.

Биологичният цикъл е постоянен обмен на вещества между живите организми и компонентите на природните компоненти. Това се случва по следния начин: живите организми получават енергийни потоци и след това, преминавайки през процеса на разлагане на органичната материя, енергията отново влиза в елементите на околната среда.

Цикълът на органичната материя е пряко отговорен за обмена на вещества между представители на флората, фауната, микроорганизмите, почвените скали и т.н. Биологичният цикъл се осъществява на различни нива на екосистемата, образувайки своеобразен оборот химична реакцияи различни трансформации на енергия в биосферата. Такава схема се формира преди много хилядолетия и работи през цялото това време в същия режим.

Основни елементи

В природата има много химични елементи, но не са толкова много от тях, необходими за живата природа. Има четири основни елемента:

1. кислород,
2. водород,
3. въглерод,
4. азот.

Количеството на тези вещества заема повече от половината от целия биологичен цикъл на веществата в природата. Има и важни елементи, но използвани в много по-малки обеми. Това са фосфор, сяра, желязо и някои други.

Биогеохимичните цикли са разделени на две важни действия като производството на слънчева енергия от Слънцето и хлорофил от зелени растения. Химическите елементи, от друга страна, имат неизбежни допирни точки с биогеохимичните и по пътя допълват тази процедура.

въглерод

Този химичен елемент е най-важният компонент на всяка жива клетка, организъм или микроорганизъм. Органичните въглеродни съединения могат безопасно да се нарекат основният компонент на възможността за протичане и развитие на живота.

В природата този газ се намира в атмосферните слоеве и частично в хидросферата. Именно от тях въглеродът се доставя на всички растения, водорасли и някои микроорганизми.

Отделянето на газ става чрез дишането и жизнената дейност на живите организми. В допълнение, количеството въглерод в биосферата също се попълва от почвените слоеве, поради обмена на газ, извършван от кореновите системи на растенията, остатъци от гниене и други групи организми.

Концепцията за биосферата и биологичния цикъл не могат да се представят без въглероден обмен. На Земята има солидни запаси от този химичен елемент и той се намира в някои седиментни скали, неживи организми и вкаменелости.

Въглеродът е възможен от подземни варовикови скали, те могат да бъдат изложени по време на добив или случайна ерозия на почвата.

Оборотът на въглерода в биосферата се извършва по метода на многократно преминаване дихателни системиживи организми и натрупване в абиотичните фактори на екосистемата.

Фосфор

Фосфорът, като компонент на биосферата, не е толкова ценен в чист вид, колкото е в много органични съединения. Някои от тях са жизненоважни: на първо място, това са ДНК, PKN и ATP клетки. Схемата на фосфорния цикъл се основава именно на ортофосфорното съединение, тъй като този вид вещество се усвоява най-добре.

Ротацията на фосфора в биосферата, грубо казано, се състои от две части:

1. водната част на планетата - от обработката от примитивен планктон до отлагането под формата на скелети на морски риби,
2. земна среда – тук тя е най-концентрирана под формата на почвени елементи.

Фосфорът е в основата на такъв известен минерал като апатит. Разработването на мини с фосфорсъдържащи минерали е много популярно, но това обстоятелство изобщо не поддържа цикъла на фосфора в биосферата, а напротив, изчерпва запасите му.

Азот

Химическият елемент азот присъства на планетата в оскъдни количества. Приблизителното му съдържание във всички живи елементи е само около два процента. Но без него животът на планетата е невъзможен.

В кръговрата на азота в биосферата решаваща роля принадлежи на някои видове бактерии. Голяма степен на участие тук се отдава на азотфиксаторите и амонифициращите микроорганизми. Тяхното участие в този алгоритъм е толкова значимо, че ако някои представители на тези видове изчезнат, вероятността за живот на Земята ще бъде под въпрос.

Въпросът тук е, че този елемент в молекулярна форма, както изглежда в атмосферните слоеве, не може да бъде усвоен от растенията. В резултат на това, за да се осигури оборотът на азота в биосферата, е необходимо да се преработи до амоняк или амоняк. Следователно схемата за рециклиране на азот е напълно зависима от активността на бактериите.

Също така, важна роля в азотния цикъл в екосистемата заема въглеродният цикъл в биосферата - и двата цикъла са тясно свързани помежду си.

Съвременните процеси на производство на торове и други индустриални фактори оказват огромно влияние върху съдържанието на атмосферен азот - за някои райони количеството му е многократно превишено.

Кислород

В биосферата непрекъснато се извършва кръговрат на веществата и преобразуване на енергията от един вид в друг. Най-важният цикъл в това отношение е функцията на фотосинтезата. Именно фотосинтезата осигурява на въздушното пространство свободен кислород, който е в състояние да озонира определени слоеве на атмосферата.

Кислородът се отделя и от водните молекули по време на водния цикъл в биосферата. Въпреки това, този абиотичен фактор на присъствието на този елемент е незначителен в сравнение с количеството, което растенията произвеждат.

Цикълът на кислорода в биосферата е дълъг, но много интензивен процес. Ако вземем целия обем на този химичен елемент в атмосферата, тогава неговият пълен цикъл от разлагането на органичната материя до освобождаването от растението по време на фотосинтезата продължава около две хиляди години! Този цикъл няма прекъсвания, случва се всеки ден, всяка година, в продължение на много хилядолетия.

В днешно време в процеса на метаболизма значително количество свободен кислород се свързва поради промишлени емисии, изгорели газове от транспорта и други замърсители на въздуха.

вода

Концепцията за биосферата и биологичния цикъл на веществата е трудно да си представим без такова важно химично съединение като водата. Може би няма нужда да обясняваме защо. Моделът на циркулация на водата е навсякъде: всички живи организми са три четвърти вода. Растенията се нуждаят от него за фотосинтеза, която освобождава кислород. Дишането също произвежда вода. Ако накратко оценим цялата история на живота и развитието на нашата планета, тогава пълният цикъл на водата в биосферата, от разлагането до новото образуване, е преминал хиляди пъти.

Тъй като в биосферата има постоянен кръговрат на веществата и преобразуването на енергията от едно в друго, именно преобразуването на водата е неразривно свързано с почти всички останали цикли и обороти в природата.

Сяра

Сярата като химичен елемент играе важна роля в изграждането на правилната структура на белтъчната молекула. Цикълът на сярата се дължи на много видове протозои или по-скоро бактерии. Аеробните бактерии окисляват съдържащата се в органичната материя сяра до сулфати, а след това други видове бактерии завършват процеса на окисляване до елементарна сяра. Една опростена схема, чрез която може да се опише цикълът на сярата в биосферата, изглежда като непрекъснат процес на окисление и редукция.

В процеса на циркулация на веществата в биосферата се получава натрупване на остатъци от сяра в океаните. Източниците на този химичен елемент са канализацията речни води, които носят сяра с водни потоци от почви и планински склонове. Отделяйки се от речните и подпочвените води под формата на сероводород, сярата навлиза частично в атмосферата и оттам, включвайки се в кръговрата на веществата, се връща като част от дъждовната вода.

Серните сулфати, някои видове горими отпадъци и подобни емисии неизбежно водят до повишено съдържание на серен диоксид в атмосферата. Последствията от това са плачевни: киселинни дъждове, респираторни заболявания, унищожаване на растителността и др. Превръщането на сярата, първоначално предназначено за нормалното функциониране на екосистемата, днес се превръща в оръжие за унищожаване на живи организми.

Желязо

Чистото желязо се среща много рядко в природата. По принцип, например, може да се намери в останките от метеорити. Сам по себе си този метал е мек и ковък, но на открито той моментално реагира с кислорода и образува оксиди и оксиди. Следователно основният вид желязосъдържащо вещество е желязната руда.

Известно е, че циркулацията на веществата в биосферата се извършва под формата на различни съединения, включително желязото също има активен цикъл на циркулация в природата. Ферумът навлиза в почвените слоеве или в Световния океан от скали или заедно с вулканична пепел.

В дивата природа желязото играе решаваща роля, без него не протича процесът на фотосинтеза и не се образува хлорофил. В живите организми желязото се използва за образуване на хемоглобин. След завършване на цикъла си той навлиза в почвата под формата на органични остатъци.

Съществува и морски цикъл на желязото в биосферата. Основният му принцип е подобен на основния. Някои видове организми окисляват желязото; тук се използва енергия, а след завършване жизнен цикълметалът се утаява във водните дълбини под формата на руда.

Бактерии, организми, участващи в естествените цикли на екосистемата

Циркулацията на веществата и енергията в биосферата е непрекъснат процес, който осигурява живота на Земята с нейното непрекъснато функциониране. Основите на този цикъл са познати дори на учениците: растенията, хранещи се с въглероден диоксид, отделят кислород, животните и хората вдишват кислород, оставяйки въглероден двуокискато продукт на дихателния процес. Работата на бактериите и гъбите е да обработват останките от живи организми, превръщайки ги от органична материя в минерали, които в крайна сметка се абсорбират от растенията.

Каква е функцията на биологичния цикъл на материята? Отговорът е прост: тъй като доставките на химични елементи и минерали на планетата, макар и обширни, все още са ограничени. Необходим е цикличен процес на трансформации и оборот на всички важни компоненти на биосферата. Концепцията за биосферата и биологичния метаболизъм определя вечната продължителност на жизнените процеси на Земята.

Трябва да се отбележи, че микроорганизмите в този въпрос играят много важна роля. Например цикълът на фосфор е невъзможен без нитрифициращи бактерии; окислителните процеси на желязото не работят без железни бактерии. Нодулните бактерии играят важна роля в естествения обмен на азот – без тях такъв цикъл просто би спрял. В циркулацията на веществата в биосферата плесенните гъбички са вид санитари, разграждащи органичните остатъци до минерални компоненти.

Всеки клас организми, обитаващи планетата, изпълнява своята важна роля в преработката на определени химични елементи, допринася за концепцията за биосферата и биологичния цикъл. Най-примитивният пример за йерархията на животинския свят е хранителната верига, но в живите организми има много повече функции и резултатът е по-глобален.

Всеки организъм всъщност е компонент на биосистема. За да може оборотът на веществата в биосферата да работи циклично и правилно, е важно да се поддържа баланс между количеството материя, постъпващо в биосферата, и количеството, което микроорганизмите могат да преработят. За съжаление, с всеки следващ цикъл на кръговрата в природата, този процес все повече се нарушава поради намесата на човека. Проблемите на околната среда се превръщат в глобални проблеми на екосистемата и начините за решаването им са финансово скъпи, още по-скъпи, ако се преценят от страна на протичането на естествените процеси.

Въпрос 1. Каква е основната функция на биосферата?

Основната функция на биосферата е да осигурява циркулацията на химичните елементи, която се изразява в циркулацията на веществата между атмосферата, почвата, хидросферата и живите организми.

Въпрос 2. Разкажете ни за кръговрата на водата в природата.

Водата се изпарява и се пренася от въздушни течения на големи разстояния. Падайки на земната повърхност под формата на валежи, той допринася за разрушаването на скалите, прави ги достъпни за растенията и микроорганизмите, разяжда горния слой на почвата и отива заедно с разтворените в него химични съединения и суспендирани органични частици в моретата и океаните. . Циркулацията на водата между океана и сушата е съществена връзка в поддържането на живота на Земята.

Въпрос 3. Участват ли живите организми във водния цикъл? Ако да, тогава попълнете диаграмата, показана на фигура 113, като посочите на нея участието на живите организми в цикъла.

Растенията участват в кръговрата на водата по два начина: извличат я от почвата и я изпаряват в атмосферата; Част от водата в растителните клетки се разгражда по време на фотосинтезата. В този случай водородът се фиксира под формата на органични съединения и кислородът навлиза в атмосферата.

Животните консумират вода, за да поддържат осмотичния и солевия баланс в тялото и да я отделят във външната среда заедно с метаболитни продукти.

Въпрос 4. Какви организми абсорбират въглероден диоксид от атмосферата?

В процеса на фотосинтеза зелените растения използват въглероден диоксид и водород от водата, за да синтезират органични съединения, а освободеният кислород навлиза в атмосферата.

Въпрос 5. Как се връща фиксираният въглерод в атмосферата?

Различни животни и растения дишат кислород, а крайният продукт на дишането, CO2, се отделя в атмосферата.

Въпрос 6. Начертайте диаграма на цикъла на азота в природата.

Въпрос 7. Помислете и дайте примери как микроорганизмите играят важна роля в цикъла на сярата.

Серните съединения с метали, разположени дълбоко в почвата и в морските седиментни скали - сулфиди - се превръщат от микроорганизми в достъпна форма - сулфати, които се абсорбират от растенията. С помощта на бактериите се извършват отделни окислително-редукционни реакции. Дълбоко разположените сулфати се редуцират до H2S, който се издига и се окислява от аеробни бактерии до сулфати. Разлагането на труповете на животни или растения осигурява връщането на сярата в цикъла.

Въпрос 8. Диетата на всеки човек трябва да включва рибни ястия. Обяснете защо това е важно.

Приблизително 60 000 тона елементарен фосфор се връщат на сушата заедно с уловената риба. 70% от целия фосфор, който се съдържа в нашето тяло, е концентриран в костите и зъбите. Заедно с калция той формира правилната структура на костите и осигурява тяхната механична здравина. Идеалното съотношение на фосфор и калций се счита за 1 към 2 или 3 към 4. И ако те са, да речем, равни, тогава костта, която постепенно губи калций, ще стане твърда, но крехка, като стъкло, на пръв поглед е доста твърд, но в същото време е лесно да се счупи.

Фосфорът е основният енергиен носител, той е част от аденозинтрифосфата (накратко АТФ), който се абсорбира в кръвта и доставя енергия на всички клетки, които се нуждаят от нея.

Въпрос 9. Обсъдете в клас как ще се промени кръговратът на веществата в природата, ако всички живи организми изчезнат на планетата.

Всички живи организми участват в циркулацията на веществата, като абсорбират някои вещества от външната среда и отделят други в нея. По този начин растенията консумират въглероден диоксид, вода и минерални соли от външната среда и отделят кислород в нея. Животните вдишват кислорода, отделен от растенията, и когато ги ядат, те усвояват органични вещества, синтезирани от вода и въглероден диоксид, и отделят въглероден диоксид, вода и вещества от несмляната част от храната. Когато мъртвите растения и животни се разграждат от бактерии и гъбички, се образува допълнително количество въглероден диоксид и органичните вещества се превръщат в минерали, които влизат в почвата и отново се абсорбират от растенията. По този начин атомите на основните химични елементи непрекъснато мигрират от един организъм към друг, от почвата, атмосферата и хидросферата към живите организми и от тях към околната среда, като по този начин попълват неживата субстанция на биосферата. Тези процеси се повтарят безкраен брой пъти. Така например целият атмосферен кислород преминава през живата материя за 2 хиляди години, целият въглероден диоксид - за 200-300 години.

Непрекъснатата циркулация на химичните елементи в биосферата по повече или по-малко затворени пътища се нарича биогеохимичен цикъл. Необходимостта от такава циркулация се обяснява с ограничената наличност на техните запаси на планетата. За да осигурим безкрайността на живота, химически елементитрябва да се движат в кръг. С изчезването на живите организми би настъпил срив в циркулацията на веществата и енергията и в резултат на това - смъртта на биосферата.

Много ензимни реакции протичат в живите клетки. Ние комбинираме съвкупността от тези реакции обща концепцияметаболизъм, но би било погрешно да се мисли, че клетката не е нищо повече от мембранна торба, в която ензимите действат по случаен, неподреден начин. Метаболизмът е високо координирана и целенасочена клетъчна дейност, осигурявана от участието на много взаимосвързани мултиензимни системи. Той изпълнява четири специфични функции: 1) доставка на химическа енергия, която се получава чрез разделяне на богати на енергия хранителни вещества, които влизат в тялото от околната среда, или чрез преобразуване на уловената енергия от слънчевата светлина; 2) превръщането на хранителните молекули в градивни елементи, които по-късно се използват от клетката за изграждане на макромолекули; 3) сглобяване на протеини, нуклеинови киселини, липиди, полизахариди и други клетъчни компоненти от тези градивни елементи; 4) синтез и унищожаване на онези биомолекули, които са необходими за изпълнение на специфични функции на дадена клетка.

Въпреки че метаболизмът се състои от стотици различни ензимни реакции, централните метаболитни пътища, които обикновено ни интересуват най-много, са малко и по принцип еднакви във всички живи форми. В тази глава с общ преглед ще разгледаме източниците на вещества и енергия за метаболизма, централните метаболитни пътища, използвани за синтеза и разграждането на основните клетъчни компоненти, механизмите, включени в преноса на химическа енергия, и накрая онези експериментални подходи, които се използват за изследване на метаболитни пътища.

13.1. Живите организми участват в кръговрата на въглерода и кислорода

Ще започнем нашето разглеждане с макроскопичните аспекти на метаболизма, с общото метаболитно взаимодействие между живите организми на биосферата. Всички живи организми могат да бъдат разделени на две големи групи в зависимост от химичната форма, в която могат да абсорбират въглерода, идващ от околната среда. Автотрофните клетки („самохранещи се“) могат да използват атмосферния въглерод като единствен източник на въглерод, от който изграждат всички свои въглерод-съдържащи биомолекули.

Тази група включва фотосинтезиращи бактерии и листни клетки на зелени растения. Някои автотрофи, като цианобактериите, също могат да използват атмосферен азот за синтеза на всички свои азотсъдържащи компоненти. Хетеротрофните клетки ("хранещи се за сметка на другите") нямат способността да абсорбират атмосферата; те трябва да получават въглерод под формата на достатъчно сложни органични съединения, като например глюкоза. Хетеротрофите включват клетки от висши животни и повечето микроорганизми. Автотрофите, които си осигуряват всичко необходимо за живота, имат известна независимост, докато хетеротрофите, които се нуждаят от комплексни източници на въглерод, се хранят с отпадъчните продукти на други клетки.

Има още една важна разлика между тези две групи. Много автотрофни организми извършват фотосинтеза, тоест имат способността да използват енергията на слънчевата светлина, докато хетеротрофните клетки получават необходимата им енергия чрез разграждане на органични съединения, произведени от автотрофи. В биосферата автотрофите и хетеротрофите съжителстват като участници в един гигантски цикъл, в който автотрофните организми изграждат органични биомолекули от атмосферата и някои от тях отделят кислород в атмосферата. Хетеротрофите използват органичните продукти, произведени от автотрофите, като храна и ги връщат в атмосферата. По този начин се осъществява непрекъсната циркулация на въглерод и кислород между животинския и растителния свят. Източникът на енергия за този колосален процес е слънчевата светлина (фиг. 13-1).

Автотрофните и хетеротрофните организми могат от своя страна да бъдат разделени на подкласове. Има например два големи подкласа хетеротрофи: аероби и анаероби. Аеробите живеят в среда, съдържаща кислород, и окисляват органичните хранителни вещества с молекулярен кислород.

Ориз. 13-1. Цикълът на въглеродния диоксид и цикълът на кислорода между два региона на биосферата на Земята, фотосинтетичен и хетеротрофен. Мащабът на този цикъл е огромен. За една година в биосферата той се върти повече от въглерода. Балансът между образование и потребление е един от важните фактори, които определят климата на Земята. Съдържанието в атмосферата се е увеличило с около 25% през последните 100 години поради нарастващото изгаряне на въглища и нефт. Някои учени твърдят, че по-нататъшното увеличаване на количеството на атмосферата ще доведе до повишаване на средната температура на атмосферата („оранжерия“); не всички обаче са съгласни с това, тъй като е трудно да се определят точно количествата, образувани и участващи в повтарящи се цикли в биосферата, както и абсорбирани от океаните. Необходими са около 300 години, за да премине цялата атмосфера през растенията.

Анаеробите не се нуждаят от кислород, за да окисляват хранителните вещества; те живеят в среда без кислород. Много клетки, като дрождите, могат да съществуват както при аеробни, така и при анаеробни условия. Такива организми се наричат ​​факултативни анаероби. Въпреки това, за облигатните анаероби, които не са в състояние да използват кислород, последният е отрова. Такива са например организмите, които живеят дълбоко в почвата или върху нея морско дъно. Повечето хетеротрофни клетки, особено висшите клетки, са факултативни анаероби, но в присъствието на кислород те използват аеробни метаболитни пътища за окисляване на хранителни вещества.

В един и същ организъм различни групи клетки могат да принадлежат към различни класове.

Например във висшите растения зелените листни клетки, съдържащи хлорофил, са фотосинтетични автотрофи, а клетките на корените без хлорофил са хетеротрофи. Освен това зелените клетки на листата водят автотрофно съществуване само през деня. През нощта те функционират като хетеротрофи и получават необходимата им енергия чрез окисляване на синтезираните от тях въглехидрати на светлина.

• въвеждащ урок безплатно;
• Голям брой опитни учители (родни и рускоговорящи);
• Курсовете НЕ са включени определен период(месец, шест месеца, година), но за определен брой учебни часове (5, 10, 20, 50);
• Над 10 000 доволни клиенти.
• Цената на един урок с рускоезичен учител - от 600 рубли, с носител на езика - от 1500 рубли

Кръговратът на веществата в биосферата

В основата на самоподдържащия се живот на Земята са биогеохимични цикли. Всички химични елементи, използвани в жизнените процеси на организмите, извършват постоянни движения, преминавайки от живи тела към съединения на неживата природа и обратно. Възможността за многократно използване на едни и същи атоми прави живота на Земята практически вечен, при условие че постоянно се доставя точното количество енергия.

Видове кръговрат на веществата.Биосферата на Земята се характеризира по определен начин от съществуващия кръговрат на веществата и потока на енергия. Кръговрат на веществата – многократно участие на вещества в процесите, протичащи в атмосферата, хидросферата и литосферата, включително онези слоеве, които са част от биосферата на Земята. Кръговратът на веществата се осъществява с непрекъснат поток (поток) на външната енергия на Слънцето и вътрешната енергия на Земята.

В зависимост от движещата сила, с известна степен на условност, в кръговрата на веществата могат да се разграничат геоложки, биологични и антропогенни цикли. Преди появата на човека на Земята са извършени само първите две.

Геоложки цикъл (голяма циркулация на веществата в природата) – циркулацията на веществата, чиято движеща сила са екзогенни и ендогенни геоложки процеси.

Ендогенни процеси(процеси на вътрешна динамика) протичат под въздействието на вътрешната енергия на Земята. Това е енергията, отделена в резултат на радиоактивен разпад, химични реакции на образуване на минерали, кристализация на скали и др. Ендогенните процеси включват: тектонични движения, земетресения, магматизъм, метаморфизъм. Екзогенни процеси(процеси на външна динамика) протичат под въздействието на външната енергия на Слънцето. Екзогенните процеси включват изветряне на скали и минерали, отстраняване на продукти от разрушаване от някои области на земната кора и прехвърлянето им в нови области, отлагане и натрупване на продукти от разрушаване с образуването на седиментни скали. Екзогенните процеси включват геоложката активност на атмосферата, хидросферата (реки, временни потоци, подземни води, морета и океани, езера и блата, лед), както и живите организми и хората.

Най-големите релефни форми (континенти и океански депресии) и големите релефни форми (планини и равнини) са се образували поради ендогенни процеси, докато средните и малки релефни форми (речни долини, хълмове, дерета, дюни и др.), насложени върху по-големи релефни форми, - чрез екзогенни процеси. Така ендогенните и екзогенните процеси са противоположни по своето действие. Първите водят до образуването на големи релефни форми, вторите до тяхното изглаждане.

Магматичните скали се трансформират в седиментни скали в резултат на изветряне. В подвижните зони на земната кора те се потапят дълбоко в Земята. Там под въздействието на високи температури и налягания те се претопяват и образуват магма, която, издигайки се на повърхността и втвърдявайки се, образува магмени скали.

По този начин геоложкият кръговрат на веществата протича без участието на живи организми и преразпределя материята между биосферата и по-дълбоките слоеве на Земята.

Биологичен (биогеохимичен) цикъл (малък цикъл на веществата в биосферата) – кръговратът на веществата, чиято движеща сила е дейността на живите организми. За разлика от големия геоложки цикъл, малкият биогеохимичен цикъл на веществата се извършва в биосферата. Основният енергиен източник на цикъла е слънчевата радиация, която генерира фотосинтеза. В една екосистема органичните вещества се синтезират от автотрофи от неорганични вещества. След това те се консумират от хетеротрофи. В резултат на екскреция по време на жизнената дейност или след смъртта на организми (както автотрофи, така и хетеротрофи), органичните вещества претърпяват минерализация, т.е. трансформация в неорганични вещества. Тези неорганични вещества могат да бъдат използвани повторно за синтеза на органични вещества от автотрофи.

В биогеохимичните цикли трябва да се разграничат две части:

1) резервен фонд -това е част от вещество, което не е свързано с живи организми;

2) обменен фонд -много по-малка част от материята, която се обменя директно между организмите и тяхната непосредствена среда. В зависимост от местоположението на резервния фонд биогеохимичните цикли могат да бъдат разделени на два вида:

1) Цикли от газов типс резервен фонд от вещества в атмосферата и хидросферата (цикли на въглерод, кислород, азот).

2) Седиментни кръговес резервен фонд в земната кора (циркулация на фосфор, калций, желязо и др.).

Циклите от газов тип са по-съвършени, тъй като имат голям обменен фонд, което означава, че са способни на бързо саморегулиране. Седиментните цикли са по-малко съвършени, те са по-инертни, тъй като по-голямата част от материята се съдържа в резервния фонд на земната кора във форма, "недостъпна" за живите организми. Такива цикли лесно се нарушават от различни видове влияния и част от обменения материал напуска цикъла. Той може да се върне отново в циркулацията само в резултат на геоложки процеси или чрез извличане от жива материя. Въпреки това е много по-трудно да се извлекат необходимите за живите организми вещества от земната кора, отколкото от атмосферата.

Интензивността на биологичния цикъл се определя преди всичко от температурата на околната среда и количеството вода. Така например биологичният цикъл протича по-интензивно във влажните тропически гори, отколкото в тундрата.

С появата на човека възниква антропогенна циркулация или метаболизъм на веществата. Антропогенен цикъл (обмен) – циркулация (обмяна) на вещества, чиято движеща сила е човешката дейност. Той има два компонента: биологичен,свързани с функционирането на човека като жив организъм и технически,свързани с икономическата дейност на хората (техногенен цикъл).

Геоложките и биологичните цикли са до голяма степен затворени, което не може да се каже за антропогенния цикъл. Затова често се говори не за антропогенния цикъл, а за антропогенния метаболизъм. Отвореността на антропогенния кръговрат на веществата води до изчерпване на природните ресурси и замърсяване на околната среда –основните причини за всички екологични проблеми на човечеството.

Цикли на основните биогенни вещества и елементи.Помислете за циклите на най-важните вещества и елементи за живите организми. Водният цикъл принадлежи към големите геоложки, а циклите на биогенните елементи (въглерод, кислород, азот, фосфор, сяра и други биогенни елементи) - към малките биогеохимични.

Водният цикъл между сушата и океана през атмосферата се отнася до голям геоложки цикъл. Водата се изпарява от повърхността на океаните и се прехвърля на сушата, където пада под формата на валежи, които отново се връщат в океана под формата на повърхностен и подземен отток, или пада под формата на валежи на повърхността на океана. Всяка година във водния цикъл на Земята участват над 500 хиляди km3 вода. Водният цикъл като цяло играе основна роля във формирането природни условияна нашата планета. Като се има предвид транспирацията на водата от растенията и нейното усвояване в биогеохимичния цикъл, цялото количество вода на Земята се разпада и се възстановява за 2 милиона години.

Въглеродният цикъл. Производителите улавят въглеродния диоксид от атмосферата и го превръщат в органични вещества, потребителите абсорбират въглерод под формата на органични вещества с телата на производителите и потребителите от по-нисък порядък, разлагащите минерализират органичните вещества и връщат въглерода в атмосферата под формата на въглероден диоксид . В океаните въглеродният цикъл се усложнява от факта, че част от въглерода, съдържащ се в мъртвите организми, потъва на дъното и се натрупва в седиментни скали. Тази част от въглерода се изключва от биологичния цикъл и влиза в геологичния цикъл на материята.

Горите са основният резервоар на биологично свързан въглерод, те съдържат до 500 милиарда тона от този елемент, което е 2/3 от запасите му в атмосферата. Човешката намеса в кръговрата на въглерода (изгаряне на въглища, нефт, газ, обезвлажняване) води до увеличаване на съдържанието на CO2 в атмосферата и развитие на парниковия ефект.

Скоростта на цикъла на CO2, тоест времето, необходимо на целия въглероден диоксид в атмосферата да премине през живата материя, е около 300 години.

Цикълът на кислорода. Кислородният цикъл е основно между атмосферата и живите организми. По принцип свободният кислород (0^) навлиза в атмосферата в резултат на фотосинтезата на зелените растения и се консумира в процеса на дишане от животни, растения и микроорганизми и по време на минерализацията на органични остатъци. Малко количество кислород се образува от водата и озона под въздействието на ултравиолетовото лъчение. Голямо количество кислород се изразходва за окислителни процеси в земната кора, по време на вулканични изригвания и др. Основният дял от кислорода се произвежда от сухоземни растения - почти 3/4, останалата част - от фотосинтезиращи организми на океаните. Скоростта на цикъла е около 2 хиляди години.

Установено е, че 23% от кислорода, който се образува в процеса на фотосинтеза, се изразходва годишно за промишлени и битови нужди и тази цифра непрекъснато нараства.

Цикълът на азота. Запасите от азот (N2) в атмосферата са огромни (78% от нейния обем). Но растенията не могат да абсорбират свободен азот, а само в свързана форма, главно под формата на NH4+ или NO3–. Свободният азот от атмосферата се свързва от азотфиксиращи бактерии и се превръща във форми, достъпни за растенията. В растенията азотът се фиксира в органичната материя (в протеини, нуклеинови киселини и др.) и се пренася по хранителните вериги. След смъртта на живите организми декомпозиторите минерализират органичните вещества и ги превръщат в амониеви съединения, нитрати, нитрити, а също и в свободен азот, който се връща в атмосферата.

Нитратите и нитритите са силно разтворими във вода и могат да мигрират към подпочвените води и растенията и да се пренасят по хранителните вериги. Ако тяхното количество е прекомерно голямо, което често се наблюдава при неправилно използване на азотни торове, тогава водата и храната се замърсяват и причиняват заболявания на хората.

Цикъл на фосфора. По-голямата част от фосфора се съдържа в скали, образувани в минали геоложки епохи. Фосфорът се включва в биогеохимичния цикъл в резултат на изветрянето на скалите. В сухоземните екосистеми растенията извличат фосфор от почвата (основно под формата на PO43–) и го включват в органични съединения (протеини, нуклеинови киселини, фосфолипиди и др.) или го напускат в неорганична форма. Освен това фосфорът се пренася през хранителните вериги. След смъртта на живите организми и с техните секрети фосфорът се връща обратно в почвата.

При неправилно използване на фосфорни торове, водна и вятърна ерозия на почвите, големи количества фосфор се отстраняват от почвата. От една страна, това води до свръхконсумация на фосфорни торове и изчерпване на запасите от фосфорсъдържащи руди (фосфорити, апатити и др.). От друга страна, навлизането на големи количества биогенни елементи като фосфор, азот, сяра и др. от почвата във водоемите предизвиква бързо развитие на цианобактерии и други водни растения („цъфтеж” на водата) и еутрофикацияводоеми. Но по-голямата част от фосфора се отнася в морето.

Във водните екосистеми фосфорът се поема от фитопланктона и се пренася по хранителната верига до морските птици. Техните екскременти или веднага падат обратно в морето, или първо се натрупват на брега, а след това все пак се измиват в морето. От умиращи морски животни, особено риби, фосфорът отново навлиза в морето и в цикъла, но някои от скелетите на рибите достигат големи дълбочини и съдържащият се в тях фосфор отново навлиза в седиментни скали, т.е. той се изключва от биогеохимичните цикъл.

Цикъл на сярата. Основният резервен фонд от сяра се намира в седиментите и почвата, но за разлика от фосфора има резервен фонд в атмосферата. Основната роля за участието на сярата в биогеохимичния цикъл принадлежи на микроорганизмите. Някои от тях са редуциращи агенти, други са окислители.

В скалите сярата се среща под формата на сулфиди (FeS2 и др.), В разтвори - под формата на йон (SO42–), в газообразна фаза под формата на сероводород (H2S) или серен диоксид (SO2) . В някои организми сярата се натрупва в чиста форма и когато умрат, на дъното на моретата се образуват отлагания от естествена сяра.

В сухоземните екосистеми сярата навлиза в растенията от почвата главно под формата на сулфати. В живите организми сярата се намира в протеини, под формата на йони и др. След смъртта на живите организми част от сярата се възстановява в почвата от микроорганизми до H2S, другата част се окислява до сулфати и отново се включва в цикъла. Полученият сероводород изтича в атмосферата, там се окислява и се връща в почвата с валежи.

Човешко изгаряне на изкопаеми горива (особено въглища) и емисии химическа индустрия, водят до натрупване на серен диоксид (SO2) в атмосферата, който, реагирайки с водните пари, пада на земята под формата на киселинен дъжд.

Биогеохимичните цикли не са толкова големи, колкото геоложките цикли и до голяма степен се влияят от хората. Икономическата дейност нарушава тяхната изолация, те стават ациклични.