מחזור החומרים בביוספרה, מינים גיאולוגיים וביוכימיים, חשיבותם של אורגניזמים חיים. תכונות של מחזור המים וחומרים מסוימים בביוספרה אילו חומרים מעורבים במחזור

הוא מדען רוסי מצטיין אקדמאי V.I. ורנדסקי.

ביוספירה- הקליפה החיצונית המורכבת של כדור הארץ, המכילה את מכלול האורגניזמים החיים ואת אותו חלק מהחומר של כוכב הלכת שנמצא בתהליך של חילוף מתמשך עם האורגניזמים הללו. זוהי אחת הגיאוספרות החשובות ביותר של כדור הארץ, שהיא המרכיב העיקרי בסביבה הטבעית המקיפה את האדם.

כדור הארץ מורכב מקונצנטרי פגזים(גיאוספרות) פנימיות וחיצוניות כאחד. הפנימיים הם הליבה והמעטפת, והחיצונים הם: ליתוספרה -קליפת האבן של כדור הארץ, כולל קרום כדור הארץ (איור 1) בעובי של 6 ק"מ (מתחת לאוקיינוס) עד 80 ק"מ (מערכות הרים); הידרוספירה -מעטפת מים של כדור הארץ; אַטמוֹספֵרָה- מעטפת הגזים של כדור הארץ, המורכבת מתערובת של גזים שונים, אדי מים ואבק.

בגובה של 10 עד 50 ק"מ ישנה שכבת אוזון, שריכוזה המרבי בגובה של 20-25 ק"מ, מגנה על כדור הארץ מפני קרינה אולטרה סגולה מוגזמת, שהיא קטלנית לגוף. גם הביוספרה שייכת לכאן (לגיאוספרות החיצוניות).

ביוספירה -המעטפת החיצונית של כדור הארץ, הכוללת חלק מהאטמוספירה עד לגובה של 25-30 ק"מ (לשכבת האוזון), כמעט את כל ההידרוספירה וחלקה העליון של הליתוספירה עד לעומק של כ-3 ק"מ.

אורז. 1. סכימה של מבנה קרום כדור הארץ

(איור 2). המוזרות של חלקים אלה היא שהם מאוכלסים על ידי אורגניזמים חיים המרכיבים את החומר החי של הפלנטה. אינטראקציה חלק אביוטי של הביוספרה- אוויר, מים, סלעים וחומרים אורגניים - ביוטההוביל להיווצרות קרקעות וסלעי משקע.

אורז. 2. מבנה הביוספרה ויחס המשטחים התפוסים על ידי היחידות המבניות העיקריות

מחזור החומרים בביוספרה ובמערכות האקולוגיות

כל התרכובות הכימיות הזמינות לאורגניזמים חיים בביוספרה מוגבלות. התכלותם של חומרים כימיים המתאימים להטמעה מעכבת לעתים קרובות את התפתחותן של קבוצות מסוימות של אורגניזמים באזורים מקומיים ביבשה או באוקיינוס. לדברי האקדמיה V.R. וויליאמס, הדרך היחידה לתת את התכונות הסופיות של האינסוף היא לגרום לו להסתובב לאורך עקומה סגורה. כתוצאה מכך, היציבות של הביוספרה נשמרת עקב זרימת חומרים וזרמי אנרגיה. זמין שני מחזורים עיקריים של חומרים: גדול - גיאולוגי וקטן - ביו-גיאוכימי.

מחזור גיאולוגי גדול(איור 3). סלעים גבישיים (גליליים) בהשפעת גורמים פיזיקליים, כימיים וביולוגיים הופכים לסלעי משקע. חול וחימר הם משקעים אופייניים, תוצרים של טרנספורמציה של סלעים עמוקים. עם זאת, היווצרות משקעים מתרחשת לא רק עקב הרס של סלעים קיימים, אלא גם באמצעות סינתזה של מינרלים ביוגנים - שלדי מיקרואורגניזמים - מ. משאבים טבעיים- מי האוקיינוס, הימים והאגמים. משקעים מימיים רופפים, שכן הם מבודדים בתחתית המאגרים על ידי חלקים חדשים של חומר משקע, שקועים לעומק, נופלים לתנאים תרמודינמיים חדשים (טמפרטורות ולחצים גבוהים יותר), מאבדים מים, מתקשים, הופכים לסלעי משקע.

בעתיד, סלעים אלו שוקעים באופקים עמוקים עוד יותר, שם מתרחשים תהליכי הפיכתם העמוקה לתנאי טמפרטורה ולחץ חדשים – מתרחשים תהליכי המטמורפיזם.

בהשפעת זרימות אנרגיה אנדוגניות, סלעים עמוקים מומסים מחדש, ויוצרים מאגמה - המקור לסלעים חדשים. לאחר עלייתם של סלעים אלו אל פני כדור הארץ, בהשפעת תהליכי בליה והובלה, הם הופכים שוב לסלעי משקע חדשים.

לפיכך, מחזוריות גדולה נובעת מהאינטראקציה של אנרגיית השמש (האקסוגנית) עם האנרגיה העמוקה (האנדוגנית) של כדור הארץ. הוא מפיץ מחדש חומרים בין הביוספרה לבין האופקים העמוקים יותר של הפלנטה שלנו.

אורז. 3. מחזור גדול (גיאולוגי) של חומרים (חצים דקים) ושינוי במגוון ב קרום כדור הארץ(חצים רחבים מוצקים - צמיחה, חיצים שבורים - ירידה במגוון)

מעגל גדולנקרא גם מחזור המים בין ההידרוספירה, האטמוספירה והליתוספירה, המונעת על ידי אנרגיית השמש. מים מתאדים מפני השטח של גופי מים ואדמה ואז חוזרים לכדור הארץ בצורה של משקעים. האידוי עולה על המשקעים מעל האוקיינוס, ולהיפך על פני היבשה. הבדלים אלו מפוצים על ידי זרימות הנהר. לצמחיית האדמה תפקיד חשוב במחזור המים העולמי. העברת צמחים באזורים מסוימים של פני כדור הארץ יכולה להיות עד 80-90% מהמשקעים שיורדים כאן, ובממוצע עבור כל אזורי האקלים - כ-30%. בניגוד למחזור הגדול, המחזור הקטן של החומרים מתרחש רק בתוך הביוספרה. הקשר בין מחזור המים הגדול והקטן מוצג באיור. ארבע.

מחזורים בקנה מידה פלנטרי נוצרים מאינספור תנועות מחזוריות מקומיות של אטומים המונעים על ידי פעילות חיונית של אורגניזמים במערכות אקולוגיות בודדות, ומתנועות אלו הנגרמות על ידי פעולה של גורמים נוף וגיאולוגיים (נגר עילי ותת-קרקעי, שחיקת רוח, תנועה של קרקעית הים, געשיות, בניית הרים וכו').

אורז. 4. הקשר בין המחזור הגיאולוגי הגדול (GBC) של המים לבין המחזור הביו-גיאוכימי הקטן (MBC) של המים

בניגוד לאנרגיה, שפעם משמשת את הגוף, הופכת לחום והולכת לאיבוד, חומרים בביוספרה מסתובבים ויוצרים מחזורים ביו-גיאוכימיים. מתוך יותר מתשעים יסודות המצויים בטבע, אורגניזמים חיים צריכים כארבעים. החשובים ביותר עבורם נדרשים בכמויות גדולות - פחמן, מימן, חמצן, חנקן. מחזורי היסודות והחומרים מתבצעים באמצעות תהליכי ויסות עצמי בהם משתתפים כל המרכיבים. תהליכים אלו אינם בזבוז. קיים חוק הסגירה העולמית של מחזור הדם הביו-גיאוכימי בביוספרהפועל בכל שלבי התפתחותו. בתהליך האבולוציה של הביוספרה, תפקידו של המרכיב הביולוגי בסגירת החומר הביו-גיאוכימי.
מי המחזור. לאדם יש השפעה גדולה עוד יותר על המחזור הביוגאוכימי. אבל תפקידו בא לידי ביטוי בכיוון ההפוך (המחזורים הופכים פתוחים). הבסיס למחזור הביו-גיאוכימי של חומרים הוא אנרגיית השמש והכלורופיל של צמחים ירוקים. מחזורים חשובים אחרים - מים, פחמן, חנקן, זרחן וגופרית - קשורים לביו-גיאוכימיקלים ותורמים לו.

מחזור המים בביוספרה

צמחים משתמשים במימן מים במהלך הפוטוסינתזה כדי לבנות תרכובות אורגניות, ולשחרר חמצן מולקולרי. בתהליכי הנשימה של כל היצורים החיים, במהלך החמצון של תרכובות אורגניות, נוצרים שוב מים. בהיסטוריה של החיים, כל המים החופשיים של ההידרוספירה עברו שוב ושוב מחזורים של פירוק וניאופורמציה בחומר החי של הפלנטה. כ-500,000 ק"מ 3 של מים מעורבים במחזור המים על פני כדור הארץ מדי שנה. מחזור המים ועתודותיו מוצגים באיור. 5 (במונחים יחסיים).

מחזור החמצן בביוספרה

כדור הארץ חייב את האטמוספירה הייחודית שלו עם תכולה גבוהה של חמצן חופשי לתהליך הפוטוסינתזה. היווצרות האוזון בשכבות הגבוהות של האטמוספירה קשורה קשר הדוק למחזור החמצן. חמצן משתחרר ממולקולות מים והוא בעצם מוּצָר לְוָאִיפעילות פוטוסינתזה של צמחים. מבחינה אביוטית, חמצן מתעורר באטמוספרה העליונה עקב הפוטו-דיסוציאציה של אדי מים, אך מקור זה הוא רק אלפיות האחוז מאלה שמסופקים בפוטוסינתזה. בין תכולת החמצן באטמוספירה להידרוספרה יש שיווי משקל נייד. במים זה בערך פי 21 פחות.

אורז. איור 6. תכנית מחזור החמצן: חיצים מודגשים - הזרימות העיקריות של אספקת וצריכת חמצן

החמצן המשוחרר מושקע באופן אינטנסיבי על תהליכי הנשימה של כל האורגניזמים האירוביים ועל חמצון של תרכובות מינרלים שונות. תהליכים אלו מתרחשים באטמוספרה, באדמה, במים, בסחופת סלעים. הוכח שחלק ניכר מהחמצן הקשור בסלעי משקע הוא ממקור פוטוסינתטי. קרן ההחלפה של O באטמוספירה היא לא יותר מ-5% מסך הייצור של הפוטוסינתזה. חיידקים אנאירוביים רבים מחמצנים גם חומר אורגני במהלך הנשימה האנאירובית באמצעות סולפטים או חנקות לשם כך.

פירוק מוחלט של חומר אורגני שנוצר על ידי צמחים דורש בדיוק את אותה כמות חמצן שהשתחררה במהלך הפוטוסינתזה. הטמנת חומרים אורגניים בסלעי משקע, פחמים וכבול שימשה בסיס לשמירה על קרן חילופי החמצן באטמוספרה. כל החמצן שבו עובר מחזור שלם דרך אורגניזמים חיים בעוד כ-2000 שנה.

כיום, חלק ניכר מהחמצן האטמוספרי נקשר כתוצאה מתחבורה, תעשייה וצורות אחרות של פעילות אנתרופוגנית. ידוע כי האנושות כבר מוציאה יותר מ-10 מיליארד טונות של חמצן חופשי מתוך הכמות הכוללת של 430-470 מיליארד טונות המסופקת בתהליכי פוטוסינתזה. אם ניקח בחשבון שקרן החליפין מקבלת רק שלא רובחמצן פוטוסינתטי, הפעילות האנושית מבחינה זו מתחילה להשתולל.

מחזור החמצן קשור קשר הדוק למחזור הפחמן.

מחזור הפחמן בביוספרה

פחמן כיסוד כימי הוא הבסיס לחיים. הוא יכול דרכים שונותמשתלבים עם אלמנטים רבים אחרים, ויוצרים מולקולות אורגניות פשוטות ומורכבות המרכיבות תאים חיים. מבחינת התפוצה על פני כדור הארץ, הפחמן תופס את המקום האחד-עשר (0.35% ממשקל קרום כדור הארץ), אך בחומר חי הוא מהווה בממוצע כ-18 או 45% מהביומסה היבשה.

באטמוספירה, פחמן נכלל בהרכב הפחמן הדו חמצני CO 2 , במידה פחותה - בהרכב המתאן CH 4 . בהידרוספירה, CO 2 מומס במים, והתכולה הכוללת שלו גבוהה בהרבה מהאטמוספירה. האוקיינוס ​​משמש חיץ רב עוצמה לוויסות ה-CO 2 באטמוספרה: עם עלייה בריכוזו באוויר, גוברת ספיגת הפחמן הדו-חמצני במים. חלק ממולקולות ה-CO 2 מגיבות עם מים, ויוצרות חומצה פחמנית, אשר לאחר מכן מתפרקת ליוני HCO 3 - ו-CO 2- 3. יונים אלו מגיבים עם קטיוני סידן או מגנזיום כדי לזרז קרבונטים. תגובות דומות עומדות בבסיס מערכת החיץ של האוקיינוס, שמירה על ה-pH של המים קבוע.

פחמן דו חמצני של האטמוספירה וההידרוספרה הוא קרן חליפין במחזור הפחמן, משם הוא נשאב על ידי צמחים יבשתיים ואצות. פוטוסינתזה עומדת בבסיס כל המחזורים הביולוגיים על פני כדור הארץ. שחרור פחמן קבוע מתרחש במהלך פעילות הנשימה של האורגניזמים הפוטוסינתטיים עצמם ושל כל ההטרוטרופים - חיידקים, פטריות, בעלי חיים הכלולים בשרשרת המזון על חשבון חומר אורגני חי או מת.

אורז. 7. מחזור פחמן

פעילה במיוחד היא החזרה של CO 2 לאטמוספירה מהקרקע, שבה מתרכזת פעילותן של קבוצות רבות של אורגניזמים, פירוק שרידי צמחים ובעלי חיים מתים ומתבצעת נשימה של מערכות השורשים של הצמחים. תהליך אינטגרלי זה מכונה "נשימת קרקע" ותורם תרומה משמעותית לחידוש קרן החלפת CO 2 באוויר. במקביל לתהליכי מינרליזציה של חומר אורגני, נוצר חומוס בקרקעות - קומפלקס מולקולרי מורכב ויציב עשיר בפחמן. חומוס קרקע הוא אחד מאגרי הפחמן החשובים ביבשה.

בתנאים שבהם פעילות ההורסים מעוכבת על ידי גורמים סביבתיים (למשל, כאשר מתרחש משטר אנאירובי בקרקעות ובתחתית מקווי מים), החומר האורגני המצטבר בצמחייה אינו מתפרק, והופך עם הזמן לסלעים כמו פחם, ליגניט, כבול, ספרולים, פצלי שמן ואחרים עשירים באנרגיה סולארית מצטברת. הם ממלאים את קרן המילואים של פחמן, כשהם מנותקים מהמחזור הביולוגי למשך זמן רב. פחמן מושקע באופן זמני גם בביומסה חיה, בפסולת מת, בחומרים אורגניים מומסים של האוקיינוס ​​וכו'. למרות זאת קרן הרזרבה העיקרית של פחמן על הכתיבההם לא אורגניזמים חיים ולא מאובנים דליקים, אבל סלעי משקע הם אבני גיר ודולומיטים.היווצרותם קשורה גם לפעילות של חומר חי. הפחמן של הקרבונטים הללו קבור זמן רב בבטן כדור הארץ ונכנס למחזור רק בזמן שחיקה כאשר סלעים נחשפים במחזורים טקטוניים.

רק חלקי אחוז של פחמן מכמותו הכוללת על פני כדור הארץ משתתפים במחזור הביו-גיאוכימי. פחמן אטמוספרי והידרוספירה עובר שוב ושוב דרך אורגניזמים חיים. צמחי קרקע מסוגלים למצות את הרזרבות שלו באוויר תוך 4-5 שנים, עתודות בחומוס קרקע - בעוד 300-400 שנים. ההחזר העיקרי של הפחמן לקרן החליפין מתרחש עקב פעילותם של אורגניזמים חיים, ורק חלק קטן ממנו (אלפי האחוז) מפוצה בשחרור מבפנים כדור הארץ כחלק מגזים געשיים.

כיום, הפקת ושריפת מאגרי ענק של דלק מאובנים הופכת לגורם רב עוצמה בהעברת הפחמן מהעתודה לקרן ההחלפה של הביוספרה.

מחזור החנקן בביוספרה

האטמוספרה והחומר החי מכילים פחות מ-2% מכל החנקן על פני כדור הארץ, אבל הוא זה שתומך בחיים על הפלנטה. חנקן הוא חלק מהמולקולות האורגניות החשובות ביותר - DNA, חלבונים, ליפופרוטאינים, ATP, כלורופיל ועוד. ברקמות הצמח היחס שלו לפחמן הוא בממוצע 1:30, ובאצות ים I: 6. המחזור הביולוגי של החנקן הוא לכן גם קשור קשר הדוק לפחמן.

החנקן המולקולרי של האטמוספירה אינו זמין לצמחים, שיכולים לספוג יסוד זה רק בצורה של יוני אמוניום, חנקות או מתמיסות אדמה או מים. לכן, מחסור בחנקן הוא לעתים קרובות גורם המגביל את הייצור הראשוני - עבודתם של אורגניזמים הקשורים ליצירת חומרים אורגניים מאלה אורגניים. עם זאת, חנקן אטמוספרי מעורב באופן נרחב במחזור הביולוגי עקב פעילותם של חיידקים מיוחדים (מקבעי חנקן).

מיקרואורגניזמים מאמוניים גם לוקחים חלק חשוב במחזור החנקן. הם מפרקים חלבונים וחומרים אורגניים אחרים המכילים חנקן לאמוניה. בצורת אמוניום, החנקן בחלקו נספג מחדש על ידי שורשי הצמחים, ובחלקו מיירט על ידי מיקרואורגניזמים מחנקים, דבר המנוגד לתפקודים של קבוצת מיקרואורגניזמים - דניטריפירים.

אורז. 8. מחזור חנקן

בתנאים אנאירוביים בקרקעות או במים, הם משתמשים בחמצן של חנקות כדי לחמצן חומרים אורגניים, ומשיגים אנרגיה לפעילות חייהם. חנקן מצטמצם לחנקן מולקולרי. קיבוע חנקן ודניטריפיקציה בטבע מאוזנים בערך. מחזור החנקן תלוי אפוא בעיקר בפעילות החיידקים, בעוד שצמחים נכנסים אליו על ידי שימוש בתוצרי הביניים של מחזור זה והגדלת מאוד את מחזור החנקן בביוספרה באמצעות ייצור ביומסה.

תפקידם של חיידקים במחזור החנקן כה גדול, שאם רק 20 מהמינים שלהם יושמדו, החיים על הפלנטה שלנו ייפסקו.

קיבוע לא ביולוגי של חנקן וכניסת תחמוצות ואמוניה שלו לקרקעות מתרחשים גם עם גשמים במהלך יינון אטמוספרי ופריקות ברק. תעשיית הדשנים המודרנית מקבעת חנקן אטמוספרי מעל קיבוע החנקן הטבעי על מנת להגביר את ייצור היבול.

כיום, פעילות האדם משפיעה יותר ויותר על מחזור החנקן, בעיקר בכיוון של חריגה מהפיכתו לצורות קשורות על פני תהליכי החזרה למצב המולקולרי.

מחזור זרחן בביוספרה

יסוד זה, הכרחי לסינתזה של חומרים אורגניים רבים, כולל ATP, DNA, RNA, נספג על ידי צמחים רק בצורה של יוני חומצה אורתופוספורית (PO 3 4 +). הוא שייך ליסודות המגבילים את הייצור הראשוני הן ביבשה ובמיוחד באוקיינוס, שכן קרן ההחלפה של זרחן בקרקעות ובמים קטנה. מחזור הדם של יסוד זה בקנה מידה של הביוספרה אינו סגור.

ביבשה, צמחים שואבים פוספטים מהאדמה, המשתחררים על ידי מפרקים משאריות אורגניות מתפרקות. עם זאת, באדמה אלקלית או חומצית, המסיסות של תרכובות זרחן יורדת בחדות. קרן הרזרבה העיקרית של פוספטים מצויה בסלעים שנוצרו על קרקעית האוקיינוס ​​בעבר הגיאולוגי. במהלך שטיפת הסלעים, חלק מהעתודות הללו עוברים לאדמה ונשטפים אל מקווי מים בצורת מתלים ותמיסות. בהידרוספירה, הפוספטים משמשים לפיטופלנקטון, ועוברים דרך שרשראות מזון להידרוביונים אחרים. עם זאת, באוקיינוס, רוב תרכובות הזרחן קבורות עם שרידי בעלי חיים וצמחים בתחתית, ולאחר מכן מעבר עם סלעי משקע למחזור גיאולוגי גדול. בעומק, פוספטים מומסים נקשרים לסידן ויוצרים זרחנים ואפטות. בביוספרה, למעשה, יש זרימה חד-כיוונית של זרחן מסלעי היבשה למעמקי האוקיינוס, ולכן קרן ההחלפה שלו בהידרוספירה מוגבלת מאוד.

אורז. 9. מחזור זרחן

משקעים קרקעיים של זרחנים ואפטות משמשים לייצור דשנים. חדירת זרחן למים מתוקים היא אחת הסיבות העיקריות ל"פריחה" שלהם.

מחזור גופרית בביוספרה

מחזור הגופרית, הנחוץ לבניית מספר חומצות אמינו, אחראי למבנה התלת מימדי של חלבונים, ונתמך בביוספרה על ידי מגוון רחב של חיידקים. מיקרואורגניזמים אירוביים, המחמצנים את הגופרית של שאריות אורגניות לסולפטים, כמו גם מפחיתי סולפט אנאירוביים, המפחיתים סולפטים למימן גופרתי, משתתפים בקישורים נפרדים של מחזור זה. בנוסף לקבוצות המפורטות של חיידקי הגופרית, הם מחמצנים מימן גופרתי לגופרית יסודית ובהמשך לסולפטים. צמחים סופגים רק יונים SO 2-4 מאדמה ומים.

הטבעת במרכז ממחישה את תהליכי החמצון (O) וההפחתה (R) המחליפים גופרית בין בריכת הסולפט הזמינה לבין בריכת הברזל הגופרית בעומק האדמה והמשקעים.

אורז. 10. מחזור גופרית. הטבעת במרכז ממחישה את תהליכי החמצון (0) וההפחתה (R) המחליפים גופרית בין בריכת הסולפט הזמינה לבין בריכת הברזל הגופרית בעומק האדמה והמשקעים.

ההצטברות העיקרית של גופרית מתרחשת באוקיינוס, שם יוני סולפט מסופקים באופן רציף מהיבשה עם נגר נהר. כאשר מימן גופרתי משתחרר מהמים, הגופרית מוחזרת חלקית לאטמוספירה, שם היא מתחמצנת לדו-חמצנית והופכת לחומצה גופרתית במי הגשמים. השימוש התעשייתי בכמויות גדולות של סולפטים וגופרית יסודית ושריפת דלקים מאובנים משחררים כמויות גדולות של דו תחמוצת הגופרית לאטמוספירה. הדבר פוגע בצמחייה, בבעלי חיים, בבני אדם ומשמש מקור לגשם חומצי, המחמיר את ההשפעות השליליות של התערבות האדם במחזור הגופרית.

קצב מחזור החומרים

כל מחזורי החומרים מתרחשים במהירויות שונות (איור 11)

לפיכך, המחזוריות של כל האלמנטים הביוגניים על פני כדור הארץ נתמכים על ידי אינטראקציה מורכבת חלקים שונים. הם נוצרים על ידי פעילותן של קבוצות של אורגניזמים בעלי תפקידים שונים, על ידי מערכת הנגר והאידוי המחברת בין האוקיינוס ​​והיבשה, על ידי תהליכי מחזור המים והאוויר, על ידי פעולת כוחות הכבידה, על ידי טקטוניקה של הליטוספירה. לוחות, ועל ידי תהליכים גיאולוגיים וגיאופיזיים בקנה מידה גדול אחרים.

הביוספרה פועלת כמערכת מורכבת אחת בה מתרחשים מחזורים שונים של חומרים. המנוע העיקרי של אלה מחזוריות היא החומר החי של הפלנטה, כל היצורים החיים,מתן תהליכי סינתזה, טרנספורמציה ופירוק של חומר אורגני.

אורז. 11. קצב מחזור החומרים (P. Cloud, A. Jibor, 1972)

הבסיס לתפיסה האקולוגית של העולם הוא הרעיון שכל יצור חי מוקף בגורמים רבים ושונים המשפיעים עליו, שיחד יוצרים את בית הגידול שלו - ביוטופ. כתוצאה מכך, ביוטופ - פיסת טריטוריה שהיא הומוגנית מבחינת תנאי החיים של סוגים מסוימים של צמחים או בעלי חיים(מדרון של גיא, פארק יער עירוני, אגם קטן או חלק מאגם גדול, אך עם תנאים הומוגניים - חלק החוף, חלק המים העמוקים).

אורגניזמים האופייניים לביוטופ מסוים הם קהילת חיים, או ביו-קנוזה(בעלי חיים, צמחים ומיקרואורגניזמים של האגם, אחו, רצועת החוף).

קהילת החיים (ביוקנוזה) יוצרת שלם אחד עם הביוטופ שלה, הנקרא מערכת אקולוגית (אקולוגית).תל נמלים, אגם, בריכה, אחו, יער, עיר, חווה יכולים לשמש דוגמה למערכות אקולוגיות טבעיות. דוגמה קלאסית למערכת אקולוגית מלאכותית היא ספינת חלל. כפי שאתה יכול לראות, אין כאן מבנה מרחבי קפדני. קרוב למושג של מערכת אקולוגית נמצא המושג ביוגאוצנוזיס.

המרכיבים העיקריים של מערכות אקולוגיות הם:

• סביבה דוממת (אביוטית).אלה הם מים, מינרלים, גזים, כמו גם חומרים אורגניים וחומוס;
• רכיבים ביוטיים.אלה כוללים: יצרנים או יצרנים (צמחים ירוקים), צרכנים או צרכנים (יצורים חיים שניזונים מיצרנים), ומפרקים, או מפרקים (מיקרואורגניזמים).

הטבע חסכוני ביותר. כך, הביומסה שנוצרת על ידי אורגניזמים (החומר של גופם של אורגניזמים) והאנרגיה הכלולה בהם מועברות לחברים אחרים במערכת האקולוגית: בעלי חיים אוכלים צמחים, בעלי חיים אלה נאכלים על ידי בעלי חיים אחרים. תהליך זה נקרא מזון או שרשרת טרופית.בטבע, שרשראות מזון מצטלבות לעתים קרובות, יצירת מארג מזון.

דוגמאות לשרשראות מזון: צמח - אוכל עשב - טורף; דגנים - עכבר שדה - שועל וכו' ומארג המזון מוצגים באיור. 12.

לפיכך, מצב שיווי המשקל בביוספרה מבוסס על אינטראקציה של גורמים סביבתיים ביוטיים ואביוטיים, אשר נשמרת עקב חילופי חומר ואנרגיה מתמשכים בין כל מרכיבי המערכות האקולוגיות.

במחזורים סגורים של מערכות אקולוגיות טבעיות, יחד עם אחרות, השתתפותם של שני גורמים היא חובה: נוכחות של מפרקים ואספקה ​​מתמדת של אנרגיה סולארית. במערכות אקולוגיות עירוניות ומלאכותיות יש מעט או אין מפרקים, ולכן מצטברות פסולת נוזלית, מוצקה וגזית ומזהמת את הסביבה.

אורז. 12. מארג מזון וכיוון זרימת החומר

הביוספרה היא המעטפת החיצונית של הפלנטה שלנו, התהליכים החשובים ביותר מתרחשים בה, אחת הגיאוספרות העיקריות שלה. מחזור החומרים בביוספרה היה ועד עצם היום הזה מושא לתשומת לב קרובה של מדענים במשך מאות שנים. הודות למחזור החומרים, נוצר חילופי כימיקלים עולמיים לכל החיים על פני כדור הארץ, התומך בפעילות החיונית של כל מין בנפרד.

ניווט מהיר במאמר

שני גלגלים

ישנם שני מחזורים עיקריים:

1. גיאולוגי, זה נקרא גם גדול,
2. ביולוגי, הוא קטן.

לגיאולוגיה יש חשיבות עולמית, שכן היא מזרימה חומרים בין משאבי המים של כדור הארץ והאדמה על פני כדור הארץ. הוא מספק זרימת מים עולמית, המוכרת לכל תלמיד בית ספר: משקעים, אידוי, משקעים, כלומר דפוס מסוים.

הגורם היוצר כאן הוא המים בכל מצבי הצבירה שלהם. המחזור המלא של פעולה זו מאפשר לבצע את מקורם של אורגניזמים, התפתחותם, רבייתם והתפתחותם. האלגוריתם של מחזור גדול של מחזור חומרים, בנוסף להרווית שטחי אדמה בלחות, מספק היווצרות של אחרים תופעת טבע: תצורות של סלעי משקע, מינרלים, לבות דלקתיות ומינרלים.

המחזור הביולוגי הוא חילוף מתמיד של חומרים בין אורגניזמים חיים ורכיבים של רכיבים טבעיים. זה קורה בדרך זו: אורגניזמים חיים מקבלים זרימות אנרגיה, ואז, עוברים תהליך של פירוק של חומר אורגני, האנרגיה שוב נכנסת ליסודות הסביבה.

מחזור החומרים האורגני אחראי באופן ישיר לחילופי חומרים בין נציגי הצומח, החי, המיקרואורגניזמים, סלעי הקרקע וכן הלאה. המחזור הביולוגי מסופק ברמות שונות של המערכת האקולוגית, ויוצר סוג של תחלופה תגובה כימיתותמורות שונות של אנרגיה בביוספרה. תוכנית כזו נוצרה לפני אלפי שנים ופעלה כל הזמן הזה באותו מצב.

אלמנטים עיקריים

ישנם יסודות כימיים רבים בטבע, עם זאת, אין כל כך הרבה מהם הכרחיים לטבע החי. ישנם ארבעה מרכיבים עיקריים:

1. חַמצָן,
2. מֵימָן,
3. פַּחמָן,
4. חַנקָן.

כמות החומרים הללו תופסת יותר ממחצית מכל המחזור הביולוגי של החומרים בטבע. ישנם גם אלמנטים חשובים, אך משתמשים בהם בנפחים קטנים בהרבה. אלה הם זרחן, גופרית, ברזל ועוד כמה.

מחזורים ביו-גיאוכימיים מחולקים לשתי פעולות חשובות כמו ייצור אנרגיית השמש על ידי השמש וכלורופיל על ידי צמחים ירוקים. ליסודות כימיים, לעומת זאת, יש נקודות מגע בלתי נמנעות עם הביוגאוכימיקל ועל הדרך משלימים את ההליך הזה.

פַּחמָן

יסוד כימי זה הוא המרכיב החשוב ביותר בכל תא חי, אורגניזם או מיקרואורגניזם. תרכובות פחמן אורגניות יכולות להיקרא בבטחה המרכיב העיקרי של האפשרות של זרימה ופיתוח של חיים.

בטבע, גז זה נמצא בשכבות האטמוספירה ובחלקו בהידרוספירה. זה מהם כי פחמן מסופק לכל הצמחים, אצות וכמה מיקרואורגניזמים.

שחרור הגז מתרחש באמצעות הנשימה והפעילות החיונית של יצורים חיים. בנוסף, כמות הפחמן בביוספרה מתחדשת גם משכבות הקרקע, עקב חילופי הגזים המתבצעים על ידי מערכות השורשים של הצמחים, שאריות מתכלות וקבוצות אחרות של אורגניזמים.

לא ניתן לדמיין את הרעיון של הביוספרה והמחזור הביולוגי ללא חילופי פחמן. על כדור הארץ, יש אספקה ​​מוצקה של יסוד כימי זה והוא נמצא בכמה סלעי משקע, אורגניזמים דוממים ומאובנים.

כניסת פחמן אפשרית מסלעי גיר תת-קרקעיים, הם יכולים להיחשף במהלך כרייה או שחיקת קרקע מקרית.

תחלופה של פחמן בביוספרה מתרחשת בשיטה של ​​מעבר מרובה מערכות נשימהאורגניזמים חיים והצטברות בגורמים האביוטים של המערכת האקולוגית.

זַרחָן

לזרחן, כמרכיב של הביוספרה, אין ערך בצורתו הטהורה כמו בתרכובות אורגניות רבות. חלקם חיוניים: קודם כל, מדובר בתאי DNA, PKN ו-ATP. סכמת מחזור הזרחן מבוססת בדיוק על תרכובת האורתופוספורית, שכן סוג זה של חומר נספג בצורה הטובה ביותר.

סיבוב הזרחן בביוספרה, באופן גס, מורכב משני חלקים:

1. חלק המים של כדור הארץ - מעיבוד על ידי פלנקטון פרימיטיבי ועד לתצהיר בצורה של שלדי דגים ימיים,
2. סביבה יבשתית - כאן היא מרוכזת ביותר בצורה של יסודות אדמה.

זרחן הוא הבסיס למינרל ידוע כמו אפטות. הפיתוח של מכרות עם מינרלים המכילים זרחן הוא מאוד פופולרי, אבל נסיבות אלה כלל לא תומכות במחזור הזרחן בביוספרה, אלא להיפך, מדלדל את הרזרבות שלו.

חַנקָן

היסוד הכימי חנקן קיים על פני כדור הארץ בכמויות מועטות. התוכן המשוער שלו, בכל יסודות חיים, הוא רק כשני אחוזים. אבל בלי זה, החיים על הפלנטה אינם אפשריים.

במחזור החנקן בביוספרה, תפקיד מכריע שייך לסוגים מסוימים של חיידקים. מידה גדולה של השתתפות כאן מוקצית למקבעי חנקן ומיקרואורגניזמים מאמוניים. השתתפותם באלגוריתם זה כל כך משמעותית שאם כמה נציגים מהמינים הללו ייעלמו, הסבירות לחיים על פני כדור הארץ תהיה בסימן שאלה.

הנקודה כאן היא שהיסוד הזה בצורה מולקולרית, כמו שהוא נראה בשכבות האטמוספירה, לא ניתן להטמעה על ידי צמחים. כתוצאה מכך, על מנת להבטיח את מחזור החנקן בביוספרה, יש צורך לעבד אותו לאמוניה או אמוניום. תוכנית מיחזור החנקן תלויה אפוא לחלוטין בפעילות של חיידקים.

כמו כן, חלק חשוב במחזור החנקן במערכת האקולוגית נלקח על ידי מחזור הפחמן בביוספרה - שני המחזורים הללו קשורים זה בזה.

לתהליכי ייצור דשנים מודרניים ולגורמים תעשייתיים אחרים יש השפעה עצומה על תכולת החנקן האטמוספרי - באזורים מסוימים חריגה מכמותו פי כמה.

חַמצָן

בביוספרה מתרחשים ללא הרף זרימת חומרים והפיכת אנרגיה מסוג אחד לאחר. המחזור החשוב ביותר בהקשר זה הוא תפקוד הפוטוסינתזה. הפוטוסינתזה היא זו שמספקת לחלל האוויר חמצן חופשי, המסוגל לאוזן שכבות מסוימות של האטמוספירה.

חמצן משתחרר גם ממולקולות מים במהלך מחזור המים בביוספרה. עם זאת, גורם אביוטי זה של נוכחות יסוד זה זניח בהשוואה לכמות שצמחים מייצרים.

מחזור החמצן בביוספרה הוא תהליך ארוך, אך אינטנסיבי מאוד. אם ניקח את כל נפח היסוד הכימי הזה באטמוספירה, הרי שהמחזור המלא שלו מפירוק החומר האורגני ועד לשחרור על ידי צמח במהלך הפוטוסינתזה נמשך כאלפיים שנה! למחזור הזה אין הפסקות, זה קורה כל יום, כל שנה, במשך אלפי שנים.

כיום, בתהליך חילוף החומרים, נקשרת כמות משמעותית של חמצן חופשי עקב פליטות תעשייתיות, הובלת גזי פליטה ומזהמי אוויר אחרים.

מים

קשה לדמיין את הרעיון של הביוספרה והמחזור הביולוגי של חומרים ללא תרכובת כימית חשובה כמו מים. כנראה, אין צורך להסביר מדוע. דפוס זרימת המים נמצא בכל מקום: כל היצורים החיים הם שלושה רבעים מים. צמחים זקוקים לו לצורך פוטוסינתזה, המשחררת חמצן. נשימה גם מייצרת מים. אם נעריך בקצרה את כל ההיסטוריה של החיים וההתפתחות של הפלנטה שלנו, אז המחזור השלם של המים בביוספרה, מהפירוק להיווצרות חדשה, עבר אלפי פעמים.

מכיוון שבביוספירה יש מחזוריות מתמדת של חומרים והפיכת אנרגיה מאחד לשני, זוהי התמרה של מים שקשורה באופן בלתי נפרד כמעט לכל שאר המחזורים והמחזורים בטבע.

גוֹפרִית

גופרית, כיסוד כימי, לוקחת חלק חשוב בבניית המבנה הנכון של מולקולת החלבון. מחזור הגופרית נובע מסוגים רבים של פרוטוזואה, או ליתר דיוק, חיידקים. חיידקים אירוביים מחמצנים את הגופרית הכלול בחומר האורגני לסולפטים, ואז סוגים אחרים של חיידקים משלימים את תהליך החמצון לגופרית יסודית. תוכנית פשוטה שבה ניתן לתאר את מחזור הגופרית בביוספרה נראית כמו תהליך מתמשך של חמצון והפחתה.

בתהליך מחזור החומרים בביוספרה מתרחשת הצטברות של שאריות גופרית באוקיינוסים. המקורות של יסוד כימי זה הם ניקוזים מי הנהר, הנושאים גופרית עם זרימת מים מקרקעות ומדרונות הרים. בולטת ממי הנהר והקרקע בצורת מימן גופרתי, הגופרית נכנסת חלקית לאטמוספירה ומשם, בהיותה נכללת במחזור החומרים, היא חוזרת כחלק ממי הגשמים.

גופרית סולפטים, סוגים מסוימים של פסולת בעירה ופליטות דומות מובילים בהכרח לעלייה בתכולה של דו תחמוצת הגופרית באטמוספרה. ההשלכות של זה מצערות: גשם חומצי, מחלות בדרכי הנשימה, הרס צמחייה ועוד. ההמרה של גופרית, שנועדה במקור לתפקוד תקין של המערכת האקולוגית, הופכת היום לנשק להשמדת אורגניזמים חיים.

בַּרזֶל

ברזל טהור נדיר מאוד בטבע. בעיקרון, למשל, ניתן למצוא אותו בשרידי מטאוריטים. מתכת זו כשלעצמה היא רכה וניתנת לגיבוש, אך באוויר הפתוח היא מגיבה מיידית עם חמצן ויוצרת תחמוצות ותחמוצות. לכן, הסוג העיקרי של חומר המכיל ברזל הוא עפרות ברזל.

ידוע כי מחזור החומרים בביוספרה מתבצע בצורה של תרכובות שונות, לרבות לברזל יש גם מחזור מחזור פעיל בטבע. פררום חודר לשכבות הקרקע או לאוקיינוס ​​העולמי מסלעים או יחד עם אפר וולקני.

בחיות הבר, לברזל תפקיד מכריע; בלעדיו, תהליך הפוטוסינתזה אינו מתרחש, וכלורופיל אינו נוצר. ביצורים חיים, ברזל משמש ליצירת המוגלובין. לאחר השלמת המחזור שלו, הוא נכנס לאדמה בצורה של שאריות אורגניות.

יש גם מחזור ימי של ברזל בביוספרה. העיקרון הבסיסי שלו דומה לזה הבסיסי. סוגים מסוימים של אורגניזמים מחמצנים ברזל; אנרגיה משמשת כאן, ולאחר סיום מעגל החייםמתכת מתיישבת במעמקי המים בצורת עפרה.

חיידקים, אורגניזמים המעורבים במחזוריות הטבעית של המערכת האקולוגית

מחזור החומרים והאנרגיה בביוספרה הוא תהליך מתמשך המבטיח חיים על פני כדור הארץ עם פעולתם הבלתי פוסקת. היסודות של מחזור זה מוכרים אפילו לתלמידי בית הספר: צמחים, ניזונים מפחמן דו חמצני, משחררים חמצן, בעלי חיים ואנשים שואפים חמצן, עוזבים פחמן דו חמצניכתוצר של תהליך הנשימה. עבודתם של חיידקים ופטריות היא לעבד שאריות של אורגניזמים חיים, ולהפוך אותם מחומר אורגני למינרלים, שבסופו של דבר נספגים בצמחים.

מה תפקידו של המחזור הביולוגי של החומר? התשובה פשוטה: מאחר וההיצע של יסודות כימיים ומינרלים על פני כדור הארץ, למרות שהוא נרחב, עדיין מוגבל. מה שצריך הוא תהליך מחזורי של טרנספורמציות ותחלופה של כל המרכיבים החשובים של הביוספרה. הרעיון של הביוספרה ומטבוליזם ביולוגי מגדיר את משך הזמן הנצחי של תהליכי החיים על פני כדור הארץ.

יש לציין כי מיקרואורגניזמים בעניין זה ממלאים תפקיד חשוב מאוד. לדוגמה, מחזור הזרחן בלתי אפשרי ללא חיידקים מחנקים; תהליכי החמצון של הברזל אינם פועלים ללא חיידקי ברזל. חיידקי הגושים ממלאים תפקיד חשוב בתחלופה הטבעית של חנקן - בלעדיהם, מחזור כזה פשוט ייפסק. במחזור החומרים בביוספרה, פטריות עובש הן מעין סדרנים, המפרקים שאריות אורגניות לרכיבים מינרלים.

כל סוג של אורגניזמים המאכלסים את כדור הארץ מבצע את תפקידו החשוב בעיבוד של יסודות כימיים מסוימים, תורם למושג הביוספרה והמחזור הביולוגי. הדוגמה הפרימיטיבית ביותר להיררכיה של עולם החי היא שרשרת המזון, עם זאת, יש הרבה יותר פונקציות באורגניזמים חיים, והתוצאה גלובלית יותר.

כל אורגניזם, למעשה, הוא מרכיב של מערכת ביולוגית. על מנת שתחלופת החומרים בביוספרה תפעל בצורה מחזורית ונכונה, חשוב לשמור על איזון בין כמות החומר הנכנסת לביוספרה לבין הכמות שמיקרואורגניזמים יכולים לעבד. למרבה הצער, עם כל מחזור עוקב של המחזור בטבע, תהליך זה מופרע יותר ויותר עקב התערבות אנושית. סוגיות סביבתיות הופכות לבעיות גלובליות של המערכת האקולוגית והדרכים לפתור אותן הן יקרות כלכלית, אפילו יקרות יותר כאשר מעריכים אותן מהצד של מעבר תהליכים טבעיים.

שאלה 1. מהו תפקידה העיקרי של הביוספרה?

תפקידה העיקרי של הביוספרה הוא להבטיח את זרימת היסודות הכימיים, המתבטאת במחזור של חומרים בין האטמוספירה, הקרקע, ההידרוספירה ואורגניזמים חיים.

שאלה 2. ספר לנו על מחזור המים בטבע.

מים מתאדים ונושאים על ידי זרמי אוויר למרחקים ארוכים. נפילה על פני הקרקע בצורה של משקעים, היא תורמת להרס של סלעים, מנגישה אותם לצמחים ומיקרואורגניזמים, שוחקת את שכבת הקרקע העליונה והולכת יחד עם תרכובות כימיות וחלקיקים אורגניים מרחפים המומסים בה אל הים והאוקיינוסים. . מחזור המים בין האוקיינוס ​​והיבשה הוא חוליה חיונית לקיום החיים על פני כדור הארץ.

שאלה 3. האם אורגניזמים חיים משתתפים במחזור המים? אם כן, אז השלם את התרשים המוצג באיור 113, המציין עליו את השתתפותם של אורגניזמים חיים במחזור.

צמחים משתתפים במחזור המים בשתי דרכים: הם מחלצים אותם מהאדמה ומאדים אותם לאטמוספירה; חלק מהמים בתאי הצמח מתפרקים במהלך הפוטוסינתזה. במקרה זה, מימן מקובע בצורה של תרכובות אורגניות, וחמצן נכנס לאטמוספירה.

בעלי חיים צורכים מים כדי לשמור על איזון אוסמוטי ומלח בגוף ולשחרר אותם לסביבה החיצונית יחד עם תוצרים מטבוליים.

שאלה 4. אילו אורגניזמים סופגים פחמן דו חמצני מהאטמוספירה?

בתהליך הפוטוסינתזה, צמחים ירוקים משתמשים בפחמן דו חמצני ומימן מהמים כדי לסנתז תרכובות אורגניות, והחמצן המשוחרר נכנס לאטמוספירה.

שאלה 5. כיצד מוחזר פחמן קבוע לאטמוספירה?

בעלי חיים וצמחים שונים נושמים חמצן, והתוצר הסופי של הנשימה, CO2, משתחרר לאטמוספירה.

שאלה 6. צייר תרשים של מחזור החנקן בטבע.

שאלה 7. חשבו ותן דוגמאות כיצד מיקרואורגניזמים ממלאים תפקיד חשוב במחזור הגופרית.

תרכובות גופרית עם מתכות הנמצאות בעומק האדמה ובסלעי משקע ימיים - סולפידים - הופכות על ידי מיקרואורגניזמים לצורה נגישה - סולפטים, הנספגים בצמחים. בעזרת חיידקים מתבצעות תגובות חמצון-הפחתות נפרדות. סולפטים עמוקים מופחתים ל-H2S, שעולה ומתחמצן על ידי חיידקים אירוביים לסולפטים. פירוק גופות של בעלי חיים או צמחים מבטיח את החזרת הגופרית למחזור.

שאלה 8. מנות דגים חייבות להיכלל בתזונה של כל אדם. הסבר מדוע זה חשוב.

כ-60,000 טון של זרחן יסודי מוחזרים לקרקע יחד עם הדגים הנלכדים. 70% מכלל הזרחן, הכלול בגופנו, מרוכז בעצמות ובשיניים. יחד עם סידן, הוא יוצר את המבנה הנכון של העצמות ומבטיח את החוזק המכני שלהן. היחס האידיאלי של זרחן וסידן נחשב ל-1 ל-2 או 3 ל-4. ואם הם, נניח, שווים, אז העצם, המאבדת בהדרגה סידן, תהפוך קשה, אבל שבירה, כמו זכוכית, במבט ראשון הוא די קשה, למרות שבמקביל קל לשבור אותו.

זרחן הוא נושא האנרגיה העיקרי, הוא חלק מאדנוזין טריפוספט (בקיצור ATP), הנספג בדם ומעביר אנרגיה לכל התאים הזקוקים לו.

שאלה 9. דנו בכיתה כיצד מחזור החומרים בטבע ישתנה אם כל היצורים החיים ייעלמו על הפלנטה.

כל היצורים החיים לוקחים חלק במחזור החומרים, סופגים חומרים מסוימים מהסביבה החיצונית ומשחררים אחרים לתוכה. כך, צמחים צורכים פחמן דו חמצני, מים ומלחי מינרלים מהסביבה החיצונית ומשחררים לתוכה חמצן. בעלי חיים שואפים את החמצן שמשחרר הצמחים, וכשהם אוכלים אותם, הם מטמיעים חומרים אורגניים המסונתזים ממים ופחמן דו חמצני ומשחררים פחמן דו חמצני, מים וחומרים מהחלק הבלתי מעוכל של המזון. כאשר צמחים ובעלי חיים מתים מתפרקים על ידי חיידקים ופטריות, נוצרת כמות נוספת של פחמן דו חמצני, וחומרים אורגניים מומרים למינרלים שנכנסים לאדמה ונספגים שוב בצמחים. לפיכך, האטומים של היסודות הכימיים העיקריים נודדים ללא הרף מאורגניזם אחד למשנהו, מהאדמה, האטמוספרה וההידרוספירה לאורגניזמים חיים, ומהם אל הסביבה, ובכך ממלאים את החומר הדומם של הביוספרה. תהליכים אלו חוזרים על עצמם מספר אינסופי של פעמים. כך, למשל, כל החמצן האטמוספרי עובר דרך חומר חי בעוד 2,000 שנה, כל פחמן דו חמצני - בעוד 200-300 שנים.

המחזור הרציף של יסודות כימיים בביוספרה לאורך נתיבים סגורים פחות או יותר נקרא המחזור הביוגאוכימי. הצורך במחזור כזה מוסבר בהיצע המצומצם שלהם על פני כדור הארץ. כדי להבטיח את אינסוף החיים, יסודות כימייםחייב לנוע במעגל. עם היעלמותם של אורגניזמים חיים, יהיה כשל במחזור החומרים והאנרגיה, וכתוצאה מכך, מותו של הביוספרה.

תגובות אנזימטיות רבות מתרחשות בתאים חיים. אנו משלבים את מכלול התגובות הללו מושג כלליחילוף החומרים, אבל יהיה זה שגוי לחשוב שהתא הוא לא יותר מאשר שקית ממברנה שבה אנזימים פועלים בצורה אקראית, לא מסודרת. מטבוליזם הוא פעילות תאית מתואמת מאוד ומכוונת, הניתנת על ידי השתתפותן של מערכות מולטי-אנזים רבות הקשורות ביניהן. הוא מבצע ארבע פונקציות ספציפיות: 1) אספקת אנרגיה כימית, המתקבלת על ידי פיצול חומרים מזינים עתירי אנרגיה הנכנסים לגוף מהסביבה, או על ידי המרת האנרגיה הנלכדת מאור השמש; 2) הפיכת מולקולות מזון לאבני בניין, המשמשות מאוחר יותר את התא לבניית מקרומולקולות; 3) הרכבה של חלבונים, חומצות גרעין, שומנים, פוליסכרידים ורכיבים תאיים אחרים מאבני בניין אלו; 4) סינתזה והרס של אותן ביומולקולות הנחוצות לביצוע פונקציות ספציפיות של תא נתון.

למרות שחילוף החומרים מורכב ממאות תגובות אנזימטיות שונות, המסלולים המטבוליים המרכזיים שבדרך כלל אנחנו מתעניינים בהם הם מעטים ובאופן עקרוני זהים בכל צורות החיים. בפרק סקירה זה, נשקול את מקורות החומרים והאנרגיה לחילוף החומרים, את המסלולים המטבוליים המרכזיים המשמשים לסינתזה ופירוק של רכיבים תאיים עיקריים, את המנגנונים המעורבים בהעברת אנרגיה כימית, ולבסוף, את הגישות הניסיוניות הללו. משמשים לחקר מסלולים מטבוליים.

13.1. אורגניזמים חיים לוקחים חלק במחזור הפחמן והחמצן

נתחיל את השיקול שלנו בהיבטים המקרוסקופיים של חילוף החומרים, עם האינטראקציה המטבולית הכללית בין אורגניזמים חיים של הביוספרה. ניתן לחלק את כל היצורים החיים לשתי קבוצות גדולות, בהתאם לצורה הכימית שבה הם מסוגלים לספוג פחמן המגיע מהסביבה. תאים אוטוטרופיים ("מזינים עצמיים") יכולים להשתמש בפחמן אטמוספרי כמקור הפחמן היחיד, ממנו הם בונים את כל הביומולקולות המכילות פחמן שלהם.

קבוצה זו כוללת חיידקים פוטוסינתטיים ותאי עלים של צמחים ירוקים. חלק מהאוטוטרופים, כמו ציאנובקטריה, יכולים גם להשתמש בחנקן אטמוספרי לסינתזה של כל הרכיבים המכילים חנקן שלהם. לתאים הטרוטרופיים ("האכלה על חשבון אחרים") אין יכולת לספוג אטמוספירה; הם חייבים לקבל פחמן בצורה של תרכובות אורגניות מורכבות מספיק, כמו, למשל, גלוקוז. ההטרוטרופים כוללים תאים של בעלי חיים גבוהים יותר ורוב המיקרואורגניזמים. לאוטטרופים, המספקים לעצמם את כל הדרוש לחיים, יש עצמאות מסוימת, בעוד שהטרוטרופים, הזקוקים למקורות מורכבים של פחמן, ניזונים ממוצרי פסולת של תאים אחרים.

יש הבדל חשוב נוסף בין שתי הקבוצות הללו. אורגניזמים אוטוטרופיים רבים מבצעים פוטוסינתזה, כלומר יש להם את היכולת להשתמש באנרגיה של אור השמש, בעוד שתאים הטרוטרופיים משיגים את האנרגיה הדרושה להם על ידי פירוק תרכובות אורגניות המיוצרות על ידי אוטוטרופים. בביוספרה, אוטוטרופים והטרוטרופים מתקיימים במקביל כמשתתפים במחזור ענק אחד שבו אורגניזמים אוטוטרופיים בונים ביו-מולקולות אורגניות מהאטמוספירה וחלקם משחררים חמצן לאטמוספירה. הטרוטרופים משתמשים במוצרים האורגניים המיוצרים על ידי האוטוטרופים כמזון ומחזירים אותם לאטמוספירה. כך מתרחשת מחזור רציף של פחמן וחמצן בין עולם החי והצומח. מקור האנרגיה לתהליך אדיר זה הוא אור השמש (איור 13-1).

אורגניזמים אוטוטרופיים והטרוטרופיים יכולים בתורם להיות מחולקים לתת-מחלקות. יש, למשל, שתי תת-קבוצות גדולות של הטרוטרופים: אירובים ואנאירובים. אירובי חיים בסביבה המכילה חמצן ומחמצנים חומרים מזינים אורגניים עם חמצן מולקולרי.

אורז. 13-1. מחזור הפחמן הדו חמצני ומחזור החמצן בין שני אזורים בביוספרה של כדור הארץ, פוטוסינתטי והטרוטרופי. היקף המחזור הזה הוא עצום. במשך שנה בביוספרה הוא מסתובב יותר מפחמן. האיזון בין חינוך לצריכה הוא אחד הגורמים החשובים הקובעים את האקלים על פני כדור הארץ. התכולה באטמוספרה גדלה בכ-25% במהלך 100 השנים האחרונות, עקב שריפה גוברת של פחם ונפט. כמה מדענים טוענים כי עלייה נוספת בכמות האטמוספירה תגרור עלייה בטמפרטורה הממוצעת של האטמוספירה ("חממה"); עם זאת, לא כולם מסכימים עם זה, מכיוון שקשה לקבוע בדיוק את הכמויות שנוצרות ומעורבות במחזורים חוזרים ונשנים בביוספרה, כמו גם נספגות באוקיינוסים. לוקח בערך 300 שנה עד שכל האטמוספירה עוברת דרך הצמחים.

אנאירובים אינם דורשים חמצן כדי לחמצן חומרים מזינים; הם חיים בסביבה נטולת חמצן. תאים רבים, כגון שמרים, יכולים להתקיים גם בתנאים אירוביים וגם בתנאים אנאירוביים. אורגניזמים כאלה נקראים אנאירובים פקולטטיביים. עם זאת, עבור אנאירובים מחויבים שאינם מסוגלים להשתמש בחמצן, האחרון הוא רעל. כאלה, למשל, הם אורגניזמים שחיים עמוק באדמה או עליה מיטת ים. רוב התאים ההטרוטרופיים, במיוחד תאים גבוהים יותר, הם אנאירובים פקולטטיביים, אך בנוכחות חמצן הם משתמשים במסלולים מטבוליים אירוביים כדי לחמצן חומרים מזינים.

באותו אורגניזם, קבוצות שונות של תאים יכולות להשתייך למעמדות שונים.

לדוגמה, בצמחים גבוהים יותר, תאי עלים ירוקים המכילים כלורופיל הם אוטוטרופים פוטוסינתטיים, ותאי שורש נטולי כלורופיל הם הטרוטרופים. יתרה מכך, התאים הירוקים של העלים מנהלים קיום אוטוטרופי רק במהלך היום. בלילה הם מתפקדים כהטרוטרופים ומשיגים את האנרגיה הדרושה להם על ידי חמצון פחמימות המסונתזות על ידם באור.

• שיעור מבוא בחינם;
• מספר רב של מורים מנוסים (דוברי שפת אם ודוברי רוסית);
• קורסים לא על תקופה מסויימת(חודש, שישה חודשים, שנה), אך למספר מסוים של כיתות (5, 10, 20, 50);
• מעל 10,000 לקוחות מרוצים.
• עלות שיעור אחד עם מורה דובר רוסית - מ 600 רובל, עם דובר שפת אם - מ 1500 רובל

מחזור החומרים בביוספרה

הבסיס לחיים המקיימים את עצמם על פני כדור הארץ הם מחזורים ביו-גיאוכימיים. כל היסודות הכימיים המשמשים בתהליכי החיים של אורגניזמים עושים תנועות קבועות, עוברים מגופים חיים לתרכובות בעלות טבע דומם ולהיפך. האפשרות של שימוש חוזר באותם אטומים הופכת את החיים על פני כדור הארץ למעשה לנצחיים, בתנאי שהכמות הנכונה של אנרגיה מסופקת כל הזמן.

סוגי מחזורים של חומרים.הביוספרה של כדור הארץ מאופיינת בצורה מסוימת במחזור הקיים של חומרים ובזרימת האנרגיה. מחזור חומרים – השתתפות מרובה של חומרים בתהליכים המתרחשים באטמוספירה, ההידרוספירה והליתוספירה, לרבות אותן שכבות שהן חלק מהביוספירה של כדור הארץ. מחזור החומרים מתבצע בזרימה מתמשכת (זרימה) של האנרגיה החיצונית של השמש והאנרגיה הפנימית של כדור הארץ.

בהתאם לכוח המניע, עם מידה מסוימת של מוסכמה, בתוך מחזור החומרים, ניתן להבחין במחזורים גיאולוגיים, ביולוגיים ואנתרופוגניים. לפני הופעת האדם על פני כדור הארץ, רק שני הראשונים בוצעו.

מחזור גיאולוגי (מחזור גדול של חומרים בטבע) – מחזור חומרים, שהכוח המניע שלהם הוא תהליכים גיאולוגיים אקסוגניים ואנדוגניים.

תהליכים אנדוגניים(תהליכים של דינמיקה פנימית) מתרחשים בהשפעת האנרגיה הפנימית של כדור הארץ. זוהי האנרגיה המשתחררת כתוצאה מהתפרקות רדיואקטיבית, תגובות כימיות של היווצרות מינרלים, התגבשות של סלעים ועוד. תהליכים אנדוגניים כוללים: תנועות טקטוניות, רעידות אדמה, מאגמטיזם, מטמורפיזם. תהליכים אקסוגניים(תהליכים של דינמיקה חיצונית) ממשיכים בהשפעת האנרגיה החיצונית של השמש. תהליכים אקסוגניים כוללים בליה של סלעים ומינרלים, סילוק תוצרי הרס מאזורים מסוימים בקרום כדור הארץ והעברתם לאזורים חדשים, שקיעה והצטברות תוצרי הרס עם היווצרות סלעי משקע. תהליכים אקסוגניים כוללים את הפעילות הגיאולוגית של האטמוספירה, ההידרוספירה (נהרות, נחלים זמניים, מי תהום, ימים ואוקיינוסים, אגמים וביצות, קרח), כמו גם אורגניזמים חיים ובני אדם.

צורות היבשה הגדולות ביותר (יבשות ושקעים אוקיינוסים) וצורות יבשות גדולות (הרים ומישורים) נוצרו עקב תהליכים אנדוגניים, בעוד שצורות יבשות בינוניות וקטנות (עמקי נהרות, גבעות, נקיקים, דיונות וכו'), המונחות על גבי צורות יבשות גדולות יותר, - דרך תהליכים אקסוגניים. לפיכך, תהליכים אנדוגניים ואקסוגניים מנוגדים בפעולתם. הראשונים מובילים להיווצרות צורות קרקע גדולות, השניים להחלקתן.

סלעי בקע הופכים לסלעי משקע כתוצאה מבליה. באזורים הניידים של קרום כדור הארץ הם צוללים עמוק לתוך כדור הארץ. שם, בהשפעת טמפרטורות ולחצים גבוהים, הם מומסים מחדש ויוצרים מאגמה, העולה אל פני השטח ומתמצקת, יוצרת סלעי חום.

לפיכך, המחזור הגיאולוגי של חומרים ממשיך ללא השתתפות של אורגניזמים חיים ומחלק מחדש את החומר בין הביוספרה לשכבות העמוקות יותר של כדור הארץ.

מחזור ביולוגי (ביוגיאוכימי) (מחזור קטן של חומרים בביוספרה) – מעגל החומרים, שהכוח המניע שלו הוא פעילותם של אורגניזמים חיים. בניגוד למחזור הגיאולוגי הגדול, המחזור הביוגאוכימי הקטן של חומרים מתרחש בתוך הביוספרה. מקור האנרגיה העיקרי של המחזור הוא קרינת השמש, שיוצרת פוטוסינתזה. במערכת אקולוגית, חומרים אורגניים מסונתזים על ידי אוטוטרופים מחומרים אנאורגניים. לאחר מכן הם נצרכים על ידי הטרוטרופים. כתוצאה מהפרשה במהלך פעילות החיים או לאחר מותם של אורגניזמים (הן אוטוטרופים והן הטרוטרופים), חומרים אורגניים עוברים מינרליזציה, כלומר, הפיכה לחומרים אנאורגניים. ניתן לעשות שימוש חוזר בחומרים אנאורגניים אלו לסינתזה של חומרים אורגניים על ידי אוטוטרופים.

במחזורים ביו-גיאוכימיים, יש להבחין בין שני חלקים:

1) קרן מילואים -זה חלק מחומר שאינו קשור לאורגניזמים חיים;

2) קרן חליפין -חלק קטן בהרבה של חומר שמוחלף ישירות בין אורגניזמים וסביבתם הקרובה. בהתאם למיקום קרן המילואים, ניתן לחלק את המחזורים הביו-גיאוכימיים לשני סוגים:

1) מחזורים מסוג גזעם קרן מילואים של חומרים באטמוספרה ובהידרוספירה (מחזורי פחמן, חמצן, חנקן).

2) גלגלי משקעיםעם קרן מילואים בקרום כדור הארץ (זרימת זרחן, סידן, ברזל וכו').

מחזורים מסוג הגז מושלמים יותר, שכן יש להם קרן חליפין גדולה, מה שאומר שהם מסוגלים לוויסות עצמי מהיר. מחזורי המשקעים פחות מושלמים, הם אינרטיים יותר, שכן עיקר החומר נמצא בקרן העתודה של קרום כדור הארץ בצורה "בלתי נגישה" לאורגניזמים חיים. מחזורים כאלה מופרעים בקלות על ידי סוגים שונים של השפעות, וחלק מהחומר המוחלף יוצא מהמחזור. הוא יכול לחזור שוב למחזור רק כתוצאה מתהליכים גיאולוגיים או על ידי מיצוי על ידי חומר חי. עם זאת, הרבה יותר קשה לחלץ את החומרים הדרושים לאורגניזמים חיים מקרום כדור הארץ מאשר מהאטמוספירה.

עוצמת המחזור הביולוגי נקבעת בעיקר על ידי טמפרטורת הסביבה וכמות המים. כך, למשל, המחזור הביולוגי מתקדם בצורה אינטנסיבית יותר ביערות טרופיים לחים מאשר בטונדרה.

עם הופעת האדם, נוצרה זרימה אנתרופוגנית, או חילוף חומרים, של חומרים. מחזור אנתרופוגני (החלפה) – מחזור (החלפה) של חומרים, שהכוח המניע שלהם הוא פעילות אנושית. יש לו שני מרכיבים: בִּיוֹלוֹגִי,הקשורים לתפקוד האדם כאורגניזם חי, ו טֶכנִי,הקשורים לפעילות כלכלית של אנשים (מחזור הדם הטכנוגני).

המחזורים הגיאולוגיים והביולוגיים סגורים במידה רבה, מה שלא ניתן לומר על המחזור האנתרופוגני. לכן, לעתים קרובות הם מדברים לא על המחזור האנתרופוגני, אלא על המטבוליזם האנתרופוגני. הפתיחות של המחזור האנתרופוגני של חומרים מובילה דלדול משאבי טבע וזיהום סביבתי -הגורמים העיקריים לכל הבעיות הסביבתיות של האנושות.

מחזורים של החומרים והיסודות הביוגניים העיקריים.שקול את המחזורים של החומרים והיסודות המשמעותיים ביותר עבור אורגניזמים חיים. מחזור המים שייך לגיאולוגי הגדול, ולמחזורי היסודות הביוגניים (פחמן, חמצן, חנקן, זרחן, גופרית ושאר יסודות ביוגנים) - לביוגיאוכימיקלים הקטן.

מחזור המים בין יבשה ואוקיינוס ​​דרך האטמוספירה מתייחס למחזור גיאולוגי גדול. מים מתאדים מפני השטח של האוקיינוסים ומועברים אל היבשה, שם הם יורדים בצורת משקעים, שחוזרים שוב לאוקיינוס ​​בצורת נגר עילי ותת-קרקעי, או נופלים כמשקעים אל פני האוקיינוס. יותר מ-500 אלף קמ"ר מים משתתפים במחזור המים על פני כדור הארץ מדי שנה. מחזור המים בכללותו משחק תפקיד מרכזי בעיצוב תנאים טבעייםעל הפלנטה שלנו. בהתחשב בהולכת המים על ידי צמחים ובספיגתם במחזור הביו-גיאוכימי, כל אספקת המים על פני כדור הארץ מתכלה ומשחזרת תוך 2 מיליון שנה.

מחזור הפחמן. היצרנים לוכדים פחמן דו חמצני מהאטמוספירה וממירים אותו לחומרים אורגניים, צרכנים סופגים פחמן בצורה של חומרים אורגניים עם גופים של יצרנים וצרכנים מדרגים נמוכים יותר, מפרקים מינרלים חומרים אורגניים ומחזירים פחמן לאטמוספירה בצורה של פחמן דו חמצני. . באוקיינוסים, מחזור הפחמן מסובך בשל העובדה שחלק מהפחמן הכלול באורגניזמים מתים שוקע לקרקעית ומצטבר בסלעי משקע. חלק זה של הפחמן אינו נכלל מהמחזור הביולוגי ונכנס למחזור הגיאולוגי של החומר.

יערות הם המאגר העיקרי של פחמן הקשור ביולוגית; הם מכילים עד 500 מיליארד טון של יסוד זה, שהם 2/3 מהעתודה שלו באטמוספרה. התערבות האדם במחזור הפחמן (שריפת פחם, נפט, גז, הסרת לחות) מביאה לעלייה בתכולת ה-CO2 באטמוספרה ולהתפתחות אפקט החממה.

קצב מחזור ה-CO2, כלומר הזמן שלוקח לכל הפחמן הדו-חמצני באטמוספרה לעבור בחומר חי, הוא כ-300 שנה.

מחזור החמצן. מחזור החמצן הוא בעיקר בין האטמוספירה לאורגניזמים חיים. בעיקרון, חמצן חופשי (0^) נכנס לאטמוספירה כתוצאה מפוטוסינתזה של צמחים ירוקים, והוא נצרך בתהליך הנשימה על ידי בעלי חיים, צמחים ומיקרואורגניזמים ובמהלך מינרליזציה של שאריות אורגניות. כמות קטנה של חמצן נוצרת ממים ואוזון בהשפעת קרינה אולטרה סגולה. כמות גדולה של חמצן מושקעת על תהליכי חמצון בקרום כדור הארץ, במהלך התפרצויות געשיות וכו'. החלק העיקרי של החמצן מופק על ידי צמחי יבשה - כמעט 3/4, השאר - על ידי אורגניזמים פוטוסינתטיים של האוקיינוסים. מהירות המחזור היא כאלפיים שנה.

נקבע כי 23% מהחמצן, הנוצר בתהליך הפוטוסינתזה, נצרכים מדי שנה לצרכים תעשייתיים וביתיים, ונתון זה גדל ללא הרף.

מחזור החנקן. מלאי החנקן (N2) באטמוספירה הוא עצום (78% מנפחו). עם זאת, צמחים אינם יכולים לספוג חנקן חופשי, אלא רק בצורה קשורה, בעיקר בצורה של NH4+ או NO3–. חנקן חופשי מהאטמוספרה נקשר על ידי חיידקים מקבעים חנקן ומומר לצורות הזמינות לצמחים. בצמחים, חנקן מקובע בחומר אורגני (בחלבונים, חומצות גרעין וכו') ומועבר לאורך שרשראות מזון. לאחר מותם של יצורים חיים, מפרקים מינרליים חומרים אורגניים והופכים אותם לתרכובות אמוניום, חנקות, ניטריטים וגם לחנקן חופשי המוחזר לאטמוספירה.

חנקות וניטריטים מסיסים מאוד במים ויכולים לנדוד למי תהום ולצמחים ולהועבר דרך שרשראות מזון. אם הכמות שלהם גדולה מדי, אשר נצפתה לעתים קרובות עם שימוש לא נכון בדשני חנקן, אז מים ומזון מזוהמים וגורמים למחלות אנושיות.

מחזור זרחן. עיקר הזרחן כלול בסלעים שנוצרו בתקופות גיאולוגיות קודמות. זרחן נכלל במחזור הביוגאוכימי כתוצאה מבליה של סלעים. במערכות אקולוגיות יבשתיות, צמחים שואבים זרחן מהקרקע (בעיקר בצורה של PO43–) ומכלילים אותו בתרכובות אורגניות (חלבונים, חומצות גרעין, פוספוליפידים ועוד) או משאירים אותו בצורה לא אורגנית. יתר על כן, זרחן מועבר דרך שרשראות המזון. לאחר מותם של אורגניזמים חיים ועם הפרשותיהם, הזרחן חוזר לאדמה.

עם שימוש לא נכון בדשני זרחן, שחיקת מים ורוחות של קרקעות, כמויות גדולות של זרחן מוסרות מהאדמה. מצד אחד, הדבר מוביל לצריכת יתר של דשני זרחן ולדלדול מאגרי עפרות המכילות זרחן (זרחנים, אפטות וכו'). מצד שני, כניסת כמויות גדולות של יסודות ביוגנים כמו זרחן, חנקן, גופרית וכדומה מהאדמה אל מקווי המים, גורמת להתפתחות מהירה של ציאנובקטריות וצמחי מים אחרים ("פריחה" של מים) ו. אאוטרופיקציהמאגרי מים. אבל רוב הזרחן נסחף לים.

במערכות אקולוגיות מימיות, הזרחן נקלט על ידי פיטופלנקטון ומועבר דרך שרשרת המזון עד לעופות הים. הצואה שלהם או נופלת מיד בחזרה לים, או תחילה מצטברת על החוף, ואז נשטפת לים בכל מקרה. מבעלי חיים ימיים גוססים, בעיקר דגים, זרחן נכנס שוב לים ולמחזור הדם, אך חלק משלדי הדגים מגיעים לעומקים גדולים, והזרחן הכלול בהם חודר שוב לסלעי משקע, כלומר, הוא מנותק מהביוגאוכימיקל. מחזור.

מחזור גופרית. קרן הרזרבה העיקרית של גופרית מצויה במשקעים ובקרקע, אך בניגוד לזרחן, קיימת קרן מילואים באטמוספרה. התפקיד העיקרי במעורבות של גופרית במחזור הביוגאוכימי שייך למיקרואורגניזמים. חלקם הם חומרים מפחיתים, אחרים הם חומרים מחמצנים.

בסלעים, גופרית מופיעה בצורת גופרית (FeS2 וכו'), בתמיסות - בצורת יון (SO42–), בשלב הגז בצורת מימן גופרתי (H2S) או גופרית דו חמצנית (SO2) . אצל חלק מהאורגניזמים, גופרית מצטברת בצורתה הטהורה, וכשהם מתים נוצרים מרבצים של גופרית מקומית בקרקעית הים.

במערכות אקולוגיות יבשתיות, גופרית חודרת לצמחים מהאדמה בעיקר בצורת סולפטים. באורגניזמים חיים גופרית מצויה בחלבונים, בצורת יונים וכו'. לאחר מותם של אורגניזמים חיים, חלק מהגופרית מופחת בקרקע על ידי מיקרואורגניזמים ל-H2S, החלק השני מתחמצן לסולפטים ושוב נכלל במחזור. המימן הגופרתי שנוצר בורח לאטמוספירה, מתחמצן שם וחוזר לקרקע עם משקעים.

בעירה אנושית של דלקים מאובנים (בעיקר פחם) ופליטות תעשייה כימית, להוביל להצטברות של דו תחמוצת הגופרית (SO2) באטמוספירה, אשר, בתגובה עם אדי מים, נופל לקרקע בצורה של גשם חומצי.

מחזורים ביו-גיאוכימיים אינם גדולים כמו מחזורים גיאולוגיים ומושפעים במידה רבה מבני אדם. הפעילות הכלכלית מפרה את הבידוד שלהם, הם הופכים לאציקליים.