تأثير الإنسان على دورات المواد في الطبيعة. §54. دور المحيط الحيوي في الطبيعة هل تتوزع الكائنات الحية بالتساوي في المحيط الحيوي؟

وزارة التربية والتعليم في الاتحاد الروسي

فرع جامعة ولاية بايكال للاقتصاد و

رخصة القيادة في براتسك

كلية المالية والائتمان

بشأن الإدارة البيئية

الموضوع: دورة المواد ودور الإنسان ومكانته في المحيط الحيوي.

اكتمل: st-ka gr. ن-02

بونوماريفا إيه.

المدير العلمي:

إبيفانتسيفا إي.

براتسك-2004

محتوى:

مقدمة …………………………………………………..3

1. دورة المواد: المفهوم، الأنواع………………..…..4

1.1 دورة الكربون ……………………………………………… 6

1.2 دورة النيتروجين ……………………………………..7

2. مفهوم التلوث البيئي ...........................13

3. الغلاف الجوي كمرحلة جديدة في تطور المحيط الحيوي ............... 15

الخلاصة ………………………………………………..19

قائمة المراجع ……………………….20

مقدمة

المحيط الحيوي هو ذلك الجزء من الكرة الأرضية الذي توجد فيه الحياة. بالنسبة لهذه القشرة الخاصة للأرض، هناك ثلاثة شروط هي الأكثر أهمية. أولا، أنه يحتوي على الكثير من الماء السائل، مما يعني تلقائيا وجود جو كثيف إلى حد ما ونطاق درجة حرارة معينة. ثانيا، يقع عليه تيار قوي من الطاقة المشعة من الشمس. ثالثا، أنه يحتوي على واجهات واضحة بين المادة في حالات الطور المختلفة - الغازية والسائلة والصلبة.

وتجدر الإشارة إلى أن الإنسان (بتقدمه العلمي والتكنولوجي) يحتل المكانة الأساسية والرئيسية في دورة المواد الموجودة في المحيط الحيوي. ناهيك عن مكانتها المهيمنة في البيئة الطبيعية. أدى تطور العلوم والتكنولوجيا إلى تلوث الغلاف الجوي والمياه والتربة على كوكبنا. منذ ظهور الإنسان، اضطر المحيط الحيوي إلى التكيف مع جميع الاحتياجات الناشئة والناشئة للبشرية. تعد حماية البيئة مشكلة معقدة لا يمكن حلها إلا من خلال الجهود المشتركة للمتخصصين من مختلف مجالات العلوم والتكنولوجيا. الشكل الأكثر فعالية لحماية البيئة من الآثار الضارة للمؤسسات الصناعية هو الانتقال إلى تقنيات منخفضة النفايات وغير النفايات، وفي الإنتاج الزراعي إلى الأساليب البيولوجية لمكافحة الأعشاب الضارة والآفات. سيتطلب ذلك حل مجموعة كاملة من المشكلات التكنولوجية والتصميمية والتنظيمية المعقدة.

1. دورة المواد: المفهوم، الأنواع.

كتب الأكاديمي في آر ويليامز أن الطريقة الوحيدة لإعطاء شيء محدود خصائص اللانهائية هي إجبار المحدود على الدوران على طول منحنى مغلق، أي إشراكه في دورة.

جميع المواد الموجودة على كوكب الأرض تمر بعملية دوران كيميائي حيوي. هناك دورتان رئيسيتان: كبير(جيولوجية) و صغير(حيوية).

تستمر الدورة العظيمة لملايين السنين. يتم تدمير الصخور وتعرضها للعوامل الجوية وحملها بواسطة تيارات المياه إلى المحيط العالمي، حيث تشكل طبقات بحرية قوية. تذوب بعض المركبات الكيميائية في الماء أو يتم استهلاكها عن طريق التكاثر الحيوي. التغيرات الجيوتكتونية البطيئة الكبيرة والعمليات المرتبطة بهبوط القارات وارتفاع قاع البحار وحركة البحار والمحيطات على مدى فترة طويلة من الزمن تؤدي إلى عودة هذه الطبقات إلى الأرض وتبدأ العملية مرة أخرى.

تحدث الدورة الصغيرة، كونها جزءًا من الدورة الكبيرة، على مستوى التكاثر الحيوي وتتكون من حقيقة أن العناصر الغذائية من التربة والماء والهواء تتراكم في النباتات وتنفق على تكوين كتلتها وعمليات الحياة فيها. تتحلل منتجات تحلل المواد العضوية تحت تأثير البكتيريا مرة أخرى إلى مكونات معدنية يمكن للنباتات الوصول إليها، ويتم جذبها إلى تدفق المادة.

تسمى عودة المواد الكيميائية من البيئة غير العضوية عن طريق الكائنات النباتية والحيوانية إلى البيئة غير العضوية باستخدام الطاقة الشمسية والتفاعلات الكيميائية دورة كيميائية حيوية.

تشارك ثلاث مجموعات من الكائنات الحية في دورة المواد:

المنتجين(المنتجون) - الكائنات الحية والنباتات الخضراء التي تستخدم الطاقة الشمسية في إنتاج الإنتاج الأولي للمادة الحية. أنها تستهلك ثاني أكسيد الكربون والماء والأملاح وتطلق الأكسجين. تنتمي بعض البكتيريا الكيميائية القادرة على تكوين المواد العضوية إلى هذه المجموعة.

المحللون(عوامل الاختزال) - الكائنات الحية التي تتغذى على الكائنات الحية والبكتيريا والفطريات. هنا يكون دور الكائنات الحية الدقيقة عظيمًا بشكل خاص، حيث يدمر المخلفات العضوية تمامًا، ويحولها إلى منتجات نهائية: الأملاح المعدنية، وثاني أكسيد الكربون، والماء، والمواد العضوية البسيطة التي تدخل التربة وتستهلكها النباتات مرة أخرى.

نتيجة لعملية التمثيل الضوئي على الأرض، يتم إنشاء 1.5 * 10 10 -5.5 * 10 10 طن من الكتلة الحيوية النباتية سنويًا، والتي تحتوي على حوالي 3 * 10 18 كيلوجول من الطاقة. إجمالي الزيادة في المادة الحية هو 8.8.10 11 طن/سنة. تشمل الكتلة الإجمالية للمادة الحية على الأرض حوالي 500 ألف نوع من النباتات وحوالي 2 مليون نوع من الحيوانات.

يسمى معدل تكوين المادة البيولوجية (الكتلة الحيوية) أي تكوين كتلة المادة في وحدة الزمن إنتاجية النظام البيئي.

على الأرض، يبلغ الحجم الإجمالي للكتلة الحيوية 6.6*1012 طن، أي حوالي 4.5*1018 كيلوجول من الطاقة الشمسية. الكتلة الحيوية للمحيطات أقل بكثير منها على الأرض، أي 3 * 10 10 طن، وفي المحيط كتلة الحيوانات أكبر 30 مرة من كتلة النباتات، وعلى اليابسة كتلة النباتات 98-99٪ الكتلة الحيوية الإجمالية. الإنتاجية البيولوجية للأرض والمحيطات متساوية تقريبًا، نظرًا لأن الكتلة الحيوية للمحيطات تتكون أساسًا من طحالب وحيدة الخلية، والتي تتجدد يوميًا. يتم تجديد الكتلة الحيوية الأرضية خلال 15 سنين.

1.1 دورة الكربون

ترتبط دورة الطاقة بتداول المواد. معظم أكثرمن سمات العمليات التي تحدث في المحيط الحيوي هي دورة الكربون. تتكون مركبات الكربون وتتغير وتدمر. المسار الرئيسي للكربون هو من ثاني أكسيد الكربون إلى المادة الحية والعودة. يخرج جزء من الكربون من الدورة، ويترسب في الصخور الرسوبية للمحيط أو في المواد الأحفورية القابلة للاحتراق ذات الأصل العضوي (الخث والفحم والنفط والغازات القابلة للاشتعال)، حيث تم بالفعل تجميع الجزء الأكبر منه. ويشارك هذا الكربون في الدورة الجيولوجية البطيئة.

ويحدث تبادل ثاني أكسيد الكربون أيضًا بين الغلاف الجوي والمحيطات. توجد في الطبقات العليا من المحيط كمية كبيرة من المواد المذابة شركةكمية ثاني أكسيد الكربون المتوازنة مع الغلاف الجوي. في المجمل، يحتوي الغلاف المائي على حوالي 13*10 13 طنًا من ثاني أكسيد الكربون المذاب، ويحتوي الغلاف الجوي على أقل بـ 60 مرة. يتم دعم الحياة على الأرض وتوازن الغاز في الغلاف الجوي بكميات صغيرة نسبيًا من الكربون المشاركة في الدورة الصغيرة والموجودة في الأنسجة النباتية (5*1011 طن)، وفي الأنسجة الحيوانية (5*109طن).

1.2 دورة النيتروجين

تلعب دورة النيتروجين دورًا مهمًا في عمليات المحيط الحيوي. أنها تنطوي فقط على النيتروجين، وهو جزء من بعض المركبات الكيميائية.

يحدث تثبيته في المركبات الكيميائية أثناء النشاط البركاني، أثناء تصريفات البرق في الغلاف الجوي أثناء عملية تأينه، وأثناء احتراق المواد. تلعب الكائنات الحية الدقيقة دورًا حاسمًا في تثبيت النيتروجين.

تدخل مركبات النيتروجين (النترات والنيتريت) في المحاليل إلى الكائنات النباتية وتشارك في تكوين المادة العضوية (الأحماض الأمينية والبروتينات المعقدة). جزء من الوصلات

يتم نقل النيتروجين إلى الأنهار والبحار ويتغلغل في المياه الجوفية. ومن المركبات الذائبة في مياه البحر، تمتص الكائنات المائية النيتروجين، وبعد موتها ينتقل إلى أعماق المحيط. ولذلك فإن تركيز النيتروجين في الطبقات العليا من المحيط يزداد بشكل ملحوظ.

أحد أهم عناصر المحيط الحيوي هو الفوسفور، وهو جزء من الأحماض النووية وأغشية الخلايا والأنسجة العظمية. ويشارك الفوسفور أيضًا في الدورات الصغيرة والكبيرة ويتم امتصاصه بواسطة النباتات. فوسفات الصوديوم والكالسيوم قابلة للذوبان بشكل سيئ في الماء، وفي بيئة قلوية فهي غير قابلة للذوبان عمليا.

العنصر الرئيسي في المحيط الحيوي هو الماء. وتحدث دورة المياه عن طريق تبخرها من سطح المسطحات المائية واليابسة إلى الغلاف الجوي، ثم تنتقل بواسطة الكتل الهوائية، فتتكاثف وتتساقط على شكل أمطار.

متوسط ​​مدة الدورة العامة لتبادل الكربون والنيتروجين والماء المشاركة في الدورة البيولوجية هو 300-400 سنة. ووفقا لهذا المعدل، يتم إطلاق المركبات المعدنية المرتبطة بالكتلة الحيوية. يتم إطلاق مواد الدبال في التربة وتمعدنها.

المواد المختلفة لها معدلات تبادل مختلفة في المحيط الحيوي. وتشمل المركبات المتنقلة: الكلور، الكبريت، البورون، البروم، الفلور. وتشمل العناصر السلبية السيليكون والبوتاسيوم والفوسفور والنحاس والنيكل والألمنيوم والحديد. يحدث تداول جميع العناصر الحيوية على مستوى التكاثر الحيوي. تعتمد إنتاجية التكاثر الحيوي على مدى انتظام وكامل دورة العناصر الكيميائية.

التدخل البشري يؤثر سلبا على عمليات الدورة الدموية. على سبيل المثال، تؤدي إزالة الغابات أو تعطيل عمليات استيعاب المواد بواسطة النباتات نتيجة للتلوث إلى انخفاض في شدة امتصاص الكربون. تؤدي زيادة العناصر العضوية في الماء تحت تأثير مياه الصرف الصناعي إلى تعفن الخزانات والاستهلاك المفرط للأكسجين المذاب في الماء، مما يمنع تطور البكتيريا الهوائية (المستهلكة للأكسجين). ومن خلال حرق الوقود الأحفوري، وتثبيت النيتروجين الجوي في المنتجات الصناعية، وربط الفوسفور في المنظفات (المنظفات الاصطناعية)، يعطل البشر دورة العناصر.

معدل دورات العناصر الغذائية مرتفع جدًا. يبلغ زمن دوران الكربون في الغلاف الجوي حوالي 8 سنوات. في كل عام، يتم إعادة تدوير ما يقرب من 12% من ثاني أكسيد الكربون الموجود في الهواء إلى دورة النظم البيئية الأرضية. ويقدر إجمالي زمن الدورة للنيتروجين بأكثر من 110 سنوات، للأكسجين بـ 2500 سنة.

يتضمن تداول المواد في الطبيعة اتساقًا عامًا للمكان والزمان وسرعة العمليات على المستويات بدءًا من السكان وحتى المحيط الحيوي. ويسمى هذا الاتساق للظواهر الطبيعية التوازن البيئيلكن هذا التوازن متحرك وديناميكي.

الدورة البيولوجية.تلعب كل مجموعة من الكائنات الحية دورًا محددًا في المحيط الحيوي. النباتات هي وسطاء بين الشمس والأرض. أنها تخلق المواد العضوية الأولية من خلال عملية التمثيل الضوئي تحت تأثير ضوء الشمس.

ولذلك، تنتج النباتات الكائنات الحية. تتغذى الحيوانات على النباتات أو الحيوانات الأخرى، أي المواد العضوية الجاهزة؛ هذه هي الكائنات الاستهلاكية. ومن خلال تناول المواد العضوية، تقوم الحيوانات بتحريكها على طول سطح الأرض. وعلى طول الطريق، فإنها تنشر الجراثيم والبذور، وبالتالي تساهم في انتشار النباتات والفطريات.

تقوم الفطريات والبكتيريا بتحليل بقايا الكائنات الميتة. إنهم يحولون المواد العضوية إلى مواد غير عضوية، والتي تستهلكها النباتات مرة أخرى. وبالتالي، فإن البكتيريا والفطريات هي كائنات مدمرة. عندما تتحلل المادة العضوية، تنطلق الحرارة، أي الطاقة التي كانت النباتات تمتصها من الشمس. إذا اختفت الكائنات المدمرة، فسيتم تسمم المحيط الحيوي، لأن العديد من منتجات تحلل المواد العضوية سامة.

وهكذا، تنقل الكائنات الحية المادة والطاقة من جزء من المحيط الحيوي إلى جزء آخر. يشكل نقل المواد والطاقة دورة بيولوجية (الشكل 157). مثل دورة المياه، فهي تربط جميع أجزاء الطبيعة في كل واحد. يهدد انتهاك الدورة البيولوجية من قبل البشر بعواقب كارثية.

أرز. 157. رسم تخطيطي للدورة البيولوجية باستخدام مثال الغابة عريضة الأوراق

المحيط الحيوي والحياة على الأرض.لقد تم التقليل من أهمية دور الكائنات الحية كقوى طبيعية قوية منذ فترة طويلة. ويفسر ذلك حقيقة أن كتلة المادة الحية تبدو ضئيلة مقارنة بالأصداف الأخرى. إذا تخيلنا أن قشرة الأرض عبارة عن وعاء حجري يزن 13 كجم، فإن الغلاف المائي بأكمله الموجود في هذا الوعاء سيزن 1 كجم، وسيتوافق الغلاف الجوي مع وزن عملة نحاسية، وستتوافق المادة الحية مع وزن طابع بريد ختم.

ومع ذلك، لمليارات السنين، من جيل إلى جيل، قامت الكائنات الحية بمعالجة مادة أصداف الأرض. كانت الكمية الإجمالية للمادة التي حولتها أكبر بعدة مرات من كتلة الكائنات الحية نفسها. يشكل تفاعل الكائنات الحية مع بعضها البعض ومع الأجسام غير الحية "كائنًا حيًا" واحدًا في الطبيعة (الشكل 158).

أرز. 158. أهمية المحيط الحيوي

تحليل الرسم. أخبرنا عن العلاقة بين المحيط الحيوي وطبقات الأرض الأخرى.

تم تطوير عقيدة المحيط الحيوي كقشرة خاصة تسكنها الكائنات الحية وتتغير تحت تأثيرها من قبل العالم الروسي اللامع V. I. فيرنادسكي. كان هو الذي أظهر أن المحيط الحيوي عبارة عن قشرة نشطة للغاية. تشكل الأنشطة المشتركة للكائنات الحية، بما في ذلك البشر، البيئة الجغرافية وتحولها.

توزيع المادة الحية في المحيط الحيوي.يتم توزيع الحياة بشكل غير متساو للغاية في المحيط الحيوي. يتركز الجزء الأكبر من الكائنات الحية عند حدود التلامس بين الهواء والماء والصخور. ولذلك فإن سطح الأرض والطبقات العليا من مياه البحار والمحيطات أكثر كثافة سكانية. ويرجع ذلك إلى حقيقة أن الظروف هنا هي الأكثر ملاءمة: الكثير من الأكسجين والرطوبة والضوء والمواد المغذية. يبلغ سمك الطبقة الأكثر تشبعًا بالكائنات الحية بضع عشرات من الأمتار فقط. كلما ابتعدنا عنه صعودًا وهبوطًا، أصبحت الحياة أكثر ندرة ورتابة. لوحظ أكبر تركيز للحياة في التربة - وهي هيئة طبيعية خاصة للمحيط الحيوي.

أرز. 159. كتلة الكائنات الحية على الأرض وفي المحيط

يتم توزيع المادة الحية بشكل غير متساو، ليس فقط عموديًا، ولكن أيضًا عبر المنطقة. وتتركز معظم الكائنات الحية على الأرض. كتلتها أكبر بـ 750 مرة من كتلة سكان الغلاف المائي (الشكل 159). ومن حيث كمية المادة الحية لكل وحدة مساحة، فإن المحيط قريب من الصحارى القارية.

الأسئلة والمهام

1. أخبرنا عن دور كل مجموعة من الكائنات الحية في الطبيعة: النباتات، الحيوانات، البكتيريا، الفطريات.
2. ما هو الدور الذي تلعبه الدورة البيولوجية في الطبيعة؟
3. هل الكائنات الحية موزعة بالتساوي في المحيط الحيوي؟
4. ما هي مناطق المحيط الحيوي الأكثر كثافة بالكائنات الحية؟

في الوقت الحاضر، تعمل النباتات والحيوانات على تغيير البيئة الطبيعية. ومن الأمثلة على ذلك الشعاب المرجانية في المحيط، ورواسب الخث في المستنقعات، وانتشار الأشنات، وانتشار الطحالب التي تدمر الجبال، والكائنات الحية الدقيقة. تشارك جميع العناصر الكيميائية تقريبًا في النظام الدوري لـ D. I. Mendeleev في الدورة البيولوجية، ولكن من بينها تبرز العناصر الرئيسية والحيوية.

كربون. مصادر الكربون في الطبيعة كثيرة ومتنوعة. وفي الوقت نفسه، فإن ثاني أكسيد الكربون فقط، والذي يكون إما في حالة غازية في الغلاف الجوي أو في حالة ذائبة في الماء، هو مصدر الكربون الذي يعمل كأساس لمعالجته وتحويله إلى مادة عضوية للكائنات الحية. يتم تحويل ثاني أكسيد الكربون الذي تلتقطه النباتات إلى سكر أثناء عملية التمثيل الضوئي، ثم يتم تحويله إلى بروتينات ودهون وغيرها من خلال عمليات التخليق الحيوي الأخرى، وتعمل هذه المواد المختلفة كتغذية كربوهيدراتية للحيوانات والنباتات غير الخضراء. ومن ناحية أخرى، تتنفس جميع الكائنات الحية وتطلق الكربون في الغلاف الجوي على شكل ثاني أكسيد الكربون. عند حدوث الوفاة، تتحلل العاثيات وتمعدن الجثث، وتشكل سلاسل غذائية، وفي نهايتها يعود الكربون غالبًا إلى الدورة في شكل ثاني أكسيد الكربون (ما يسمى "تنفس التربة"). يؤدي تراكم المخلفات النباتية والحيوانية الميتة إلى إبطاء دورة الكربون: فالحيوانات الرمية والكائنات الحية الدقيقة التي تعيش في التربة تحول المخلفات المتراكمة على سطحها إلى دبال. معدل تأثير الكائنات الحية على الدبال ليس هو نفسه، وسلاسل الفطريات والبكتيريا المؤدية إلى التمعدن النهائي للكربون لها أطوال مختلفة. كقاعدة عامة، الدبال تتحلل بسرعة.
في بعض الأحيان قد تكون السلسلة قصيرة وغير مكتملة. في هذه الحالة، سلسلة المستهلكين غير قادرة على التصرف بسبب نقص الهواء أو الحموضة العالية جدا، ونتيجة لذلك تتراكم المخلفات العضوية في شكل الخث وتشكل مستنقعات الخث. في بعض مستنقعات الخث ذات الغطاء الخصب من طحالب الطحالب، تصل طبقة الخث إلى 20 مترًا أو أكثر. هذا هو المكان الذي تتوقف فيه الدورة. تشير تراكمات المركبات العضوية الأحفورية على شكل بترول إلى أن الدورة قد تباطأت على المقاييس الزمنية الجيولوجية.

كما تتباطأ دورة الكربون في الماء حيث يتراكم ثاني أكسيد الكربون على شكل طباشير أو حجر جيري أو دولوميت أو مرجان. وفي كثير من الأحيان تبقى هذه الكتل من الكربون خارج الدورة لفترات جيولوجية كاملة حتى ترتفع فوق مستوى سطح البحر. من هذه اللحظة، نتيجة لذوبان الحجر الجيري و/أو تحت تأثير الأشنات، وكذلك جذور النباتات المزهرة، يبدأ إدراج الكربون والكالسيوم في الدورة.

نتروجين. دورة النيتروجين معقدة للغاية. يحتوي على 78% من النيتروجين، ولكن لكي تستخدمه الغالبية العظمى من الكائنات الحية، يجب أن يكون ثابتاً على شكل مركبات كيميائية معينة. يحدث تثبيت النيتروجين أثناء النشاط البركاني، وأثناء تصريفات البرق في الغلاف الجوي، وأثناء احتراق النيازك. ومع ذلك، فإن الكائنات الحية الدقيقة، سواء التي تعيش بحرية أو التي تعيش على الجذور وأحيانًا على أوراق بعض النباتات، لها أهمية أكبر بما لا يقاس في عملية تثبيت النيتروجين. من بين البكتيريا التي تعيش بحرية، يتم تثبيت النيتروجين بواسطة الكائنات الهوائية (أي تلك التي تعيش مع إمكانية الوصول إلى الأكسجين)، وكذلك الكائنات اللاهوائية (أي التي تعيش دون الوصول إلى الأكسجين). وتتراوح كمية النيتروجين التي تثبتها هذه البكتيريا التي تعيش حرة من 2 إلى 3 كجم إلى 5 إلى 6 كجم لكل هكتار سنويًا. يبدو أن الطحالب الخضراء المزرقة التي تعيش في التربة تلعب دورًا معينًا في تثبيت النيتروجين.

عند دخول التربة مع المنتجات الأيضية وبقايا النباتات والحيوانات، تتحلل المواد العضوية إلى مواد معدنية، بينما تقوم البكتيريا بتحويل نيتروجين المواد العضوية إلى أملاح الأمونيوم.

إن قدرة النيتروجين على تغيير تكافؤه على نطاق واسع تحدد دوره المحدد في تكوين المركبات العضوية المختلفة.

كبيرة على سطح الكرة الأرضية معروفة. التبخر من المسطحات المائية الناجم عن الطاقة الشمسية يخلق رطوبة في الغلاف الجوي. تتكثف هذه الرطوبة في السحب التي تحملها الرياح. وعندما تبرد السحب، يهطل المطر على شكل أمطار وثلوج. تمتص التربة الهطول أو تتدفق على سطحها. تعود المياه إلى البحار والمحيطات. عادة ما تكون كمية الماء التي تبخرها النباتات كبيرة. إذا كان هناك الكثير من الرطوبة والماء للنباتات، يزداد التبخر. تبخر شجرة البتولا الواحدة 75 لترًا من الماء يوميًا، وخشب الزان - 100 لترًا، والزيزفون - 200 لترًا، و1 هكتار من الغابات - من 20 إلى 50 ألف لتر. غابة البتولا ، كتلة أوراق الشجر لكل هكتار واحد فقط 4940 كجم ، تبخر 47 ألف لتر من الماء يوميًا ، بينما تبلغ كتلة الإبر في غابة التنوب لكل هكتار 31 ألف كجم. - 43 ألف لتر فقط من الثيران بالكسل. يستخدم القمح 3750 طنًا من المياه لكل هكتار خلال فترة التطوير، وهو ما يعادل 375 ملم من الأمطار.

الأكسجين من الناحية الكمية هو المكون الرئيسي للمادة الحية. وإذا أخذنا في الاعتبار الماء الموجود في الأنسجة، فجسم الإنسان، على سبيل المثال، يحتوي على 62.8% أكسجين و19.4% كربون. وباعتباره ككل، فإن الأكسجين، مقارنة بالكربون والهيدروجين، هو العنصر الرئيسي فيه.

إن دورة الأكسجين معقدة بسبب حقيقة أن هذا العنصر يمكن أن يشكل العديد من المركبات الكيميائية. ونتيجة لذلك، تنشأ العديد من الدورات الوسيطة بين الغلاف الجوي أو بين هاتين البيئتين.

يعتبر الأكسجين، بدءًا من تركيز معين، شديد السمية للخلايا والأنسجة، حتى في الكائنات الهوائية. أثبت العالم الفرنسي لويس باستور (1822 - 1895) أنه لا يمكن لأي كائن حي لاهوائي أن يتحمل تركيزات الأكسجين التي تزيد عن الأكسجين الجوي بنسبة 1% (تأثير باستور).

تحدث دورة الأكسجين بشكل رئيسي بين الغلاف الجوي والكائنات الحية. إن عملية إنتاج وإطلاق الأكسجين كغاز أثناء عملية التمثيل الضوئي هي عكس عملية استهلاكه أثناء التنفس. في هذه الحالة يحدث تدمير المواد العضوية وتفاعل الأكسجين مع الهيدروجين. وفي بعض النواحي، تشبه دورة الأكسجين الدورة العكسية لثاني أكسيد الكربون: حيث تحدث حركة أحدهما في الاتجاه المعاكس لحركة الآخر.

الكبريت. الجزء الغالب من دورة هذا العنصر هو ذو طبيعة رسوبية ويتواجد في التربة والمياه. المصدر الرئيسي للكبريت المتاح للكائنات الحية هو الكبريتات بأنواعها. إن القابلية الجيدة للذوبان للعديد من الكبريتات في الماء تسهل وصول الكبريت غير العضوي إلى النظم البيئية. ومن خلال امتصاص الكبريتات، تقوم النباتات باستعادتها وإنتاج أحماض أمينية تحتوي على الكبريت.

تتحلل النفايات العضوية المختلفة الناتجة عن التكاثر الحيوي بواسطة البكتيريا، والتي تنتج في النهاية كبريتيد الهيدروجين من البروتينات الكبريتية الموجودة في التربة. يمكن لبعض البكتيريا أيضًا إنتاج كبريتيد الهيدروجين من الكبريتات، والتي تقللها في الظروف اللاهوائية. تحصل هذه البكتيريا، من خلال استخدام الكبريتات، على الطاقة اللازمة لعملية التمثيل الغذائي.

ومن ناحية أخرى، هناك بكتيريا يمكنها مرة أخرى أكسدة كبريتيد الهيدروجين إلى كبريتات، مما يزيد مرة أخرى من إمدادات الكبريت المتاحة للمنتجين. تسمى هذه البكتيريا بالتخليق الكيميائي، لأنها تستطيع إنتاج الطاقة الخلوية دون مشاركة الضوء، فقط من خلال أكسدة المواد الكيميائية البسيطة. لذلك، في المحيط الحيوي، تحتوي الصخور الرسوبية على الاحتياطيات الرئيسية من الكبريت، والذي يوجد بشكل رئيسي في شكل البيريت، وكذلك الكبريتات، مثل الجبس.

الفوسفور. دورة الفوسفور بسيطة نسبيا وغير مكتملة للغاية. يعد الفوسفور أحد العناصر المكونة الرئيسية للمادة الحية، حيث يوجد بكميات كبيرة إلى حد ما. وتتركز احتياطيات الفوسفور المتاحة للكائنات الحية بالكامل في الغلاف الصخري. المصادر الرئيسية للفوسفور غير العضوي هي الصخور النارية (على سبيل المثال، الأباتيت) أو الصخور الرسوبية (على سبيل المثال، الفوسفوريت). يعد الفوسفور المعدني عنصرا نادرا في المحيط الحيوي، ففي القشرة الأرضية لا يوجد منه أكثر من 1%، وهو العامل الرئيسي الذي يحد من إنتاجية العديد من النظم البيئية. ويشارك الفوسفور غير العضوي الموجود في صخور القشرة الأرضية في الدورة الدموية عن طريق الترشيح والذوبان في المياه القارية. يدخل النظم الإيكولوجية الأرضية، وتمتصه النباتات، والتي، بمشاركتها، تقوم بتوليف المركبات العضوية المختلفة، وبالتالي يتم تضمينها في العلاقات الغذائية. ثم يتم إرجاع الفوسفات العضوي مع الجثث والنفايات وإفرازات الكائنات الحية إلى الأرض، حيث يتم تعريضها مرة أخرى للكائنات الحية الدقيقة وتحويلها إلى أورثوفوسفات معدنية، جاهزة للاستهلاك بواسطة النباتات الخضراء وغيرها من الكائنات ذاتية التغذية (من السيارات اليونانية - نفسها والكأس - الغذاء والتغذية).

يتم جلب الفوسفور إلى النظم البيئية المائية عن طريق المياه المتدفقة. تعمل الأنهار على إثراء المحيطات باستمرار بالفوسفات، مما يشجع على تطور العوالق النباتية والكائنات الحية الموجودة على مستويات مختلفة من السلسلة الغذائية للمياه العذبة أو المياه البحرية. يتكون تاريخ أي عنصر كيميائي في الطبيعة من دورات لا حصر لها، تختلف في الحجم والمدة. تشكل العمليات المعاكسة - التراكم الحيوي والتمعدن - دورة بيولوجية واحدة للذرات.

تتشكل مناظر التندرا الطبيعية في ظروف باردة مع فترة صيف قصيرة وبالتالي فهي غير منتجة. التربة المنخفضة هي السبب الجذري للعديد من ميزات التندرا. وترتبط "موجات الحياة" أيضًا بنقص الحرارة: ففي السنوات التي يكون فيها الصيف أكثر دفئًا، يزداد إنتاج المواد الحية. تزدهر بعض النباتات في التندرا فقط في السنوات المواتية (على سبيل المثال، الأعشاب النارية في التندرا في القطب الشمالي). تنمو النباتات في التندرا ببطء. تنمو الأشنات بمقدار 1 - 10 ملم سنويًا؛ العرعر الذي يبلغ قطر جذعه 83 ملم يمكن أن يحتوي على ما يصل إلى 544 حلقة سنوية. لا يتأثر تأثير درجات الحرارة المنخفضة فحسب، بل يتأثر أيضًا بنقص العناصر الغذائية الكافية.

في العديد من التندرا، تلعب الطحالب والأشنات دورًا مهمًا. هناك المناظر الطبيعية التي تهيمن عليها.

في منطقة التندرا، تبلغ الكتلة الحيوية النباتية 170.3 وحدة/هكتار، منها 72% في الجزء تحت الأرض. وتبلغ الزيادة السنوية في الكتلة الحيوية 23.5 سنتمتر/هكتار، والقمامة السنوية 21.9 سنتمتر/هكتار. وبالتالي، فإن الزيادة الحقيقية، التي تعادل الفرق بين النمو والقمامة، صغيرة جدًا - 1.6 سنتمتر/هكتار (في التايغا الشمالية - 10 سنتمتر/هكتار، في التايغا الجنوبية - 30 سنتمتر/هكتار، في المناطق الاستوائية الرطبة - 75 تشا) .

بسبب انخفاض درجة الحرارة، فإن تحلل بقايا الكائنات الحية في التندرا بطيء، والعديد من مجموعات الكائنات الحية الدقيقة لا تعمل أو تعمل بشكل ضعيف للغاية (البكتيريا التي تحلل الألياف، وما إلى ذلك). وهذا يؤدي إلى تراكم المواد العضوية على السطح وفي التربة.

تتوزع الغابات عريضة الأوراق في روسيا في الجزء الأوروبي، على. هذه كلها مناطق ذات مناخ رطب معتدل دافئ. الكتلة الحيوية هنا ليست أقل بكثير مما كانت عليه في المناطق الاستوائية الرطبة (3000-5000 سم مكعب/هكتار)، ولكن الإنتاج السنوي وكتلة الاستيعاب الخضراء أقل عدة مرات. تتراوح المنتجات من 80 إلى 150 سم مكعب/هكتار (في المناطق الاستوائية الرطبة - 300 - 500 سم مكعب/هكتار)، وتشكل الكتلة الخضراء المستوعبة في غابات البلوط 1% من الكتلة الحيوية وتصل إلى 40 سم مكعب/هكتار (8% و400 سم مكعب/هكتار). في المناطق الاستوائية الرطبة).

الأشجار عريضة الأوراق غنية نسبيًا بالرماد، وخاصة الأوراق (تصل إلى 5٪). يوجد الكثير من الكالسيوم في رماد الأوراق - ما يصل إلى 20٪ أو 0.6 - 3.8٪ لكل مادة جافة، وأقل من K (0.15 - 2.0٪) وسي (0.4 - 2.8٪)، وحتى أقل من Mg ، A1، P، وكذلك الحديد، المنغنيز، الصوديوم، C1.

في التايغا، الكتلة الحيوية ليست أقل شأنا بكثير من المناطق الاستوائية الرطبة والغابات المتساقطة. في التايغا الجنوبية تتجاوز الكتلة الحيوية 3000 سم مكعب/هكتار، وفي التايغا الشمالية فقط تنخفض إلى 500 - 1500 سم مكعب/هكتار. Zoomass في التايغا لا يكاد يذكر (في التايغا الجنوبية - 0.01٪ من الكتلة الحيوية).

يمثل الخشب أكثر من 60٪ من الكتلة الحيوية، ويتكون من الألياف (حوالي 50٪)، واللجنين (20 - 30٪)، والهيميسيلولوز (أكثر من 10٪).

الإنتاج السنوي في التايغا الجنوبية هو تقريبًا نفس إنتاج الغابات عريضة الأوراق (85 سم مكعب/هكتار مقابل 90 سم مكعب/هكتار في غابات البلوط)، وفي التايغا الشمالية أقل بكثير (40 - 60 سم مكعب/هكتار). القمامة النباتية في التايغا الجنوبية أقل مما هي عليه في غابات البلوط وتساوي 55 سنتمتر/هكتار (في غابات البلوط 65 سنتمتر/هكتار)؛ وفي التايغا الشمالية يكون أقل من ذلك - 35 سنتًا/هكتار.

تشغل المناطق الاستوائية الرطبة مساحات واسعة في المناطق الاستوائية والجنوبية والجنوبية الوسطى. وكانت أكثر انتشارًا في العصور الجيولوجية الماضية (من نهاية العصر الديفوني). يتم الجمع بين وفرة الحرارة هنا مع وفرة هطول الأمطار، والحرارة والرطوبة لا تحد من الدورة البيولوجية الوحيدة للذرات. تحدث الذرات بنفس الكثافة على مدار العام، ويتم التعبير عن دورية الهجرة بشكل ضعيف.
تحدد وفرة الحرارة والرطوبة الإنتاج السنوي الكبير للمادة الحية في المناطق الاستوائية الرطبة. ويبلغ حجم الإنتاج هنا 2-3 مرات أكبر مما هو عليه في الغابات النفضية والتايغا، ويصل إلى 300-500 سنت/هكتار. ومن حيث نسبة الكتلة الحيوية إلى الإنتاج، فوق الأرض وتحت الأرض، والكتلة الحيوية الخضراء وغير الخضراء، والعديد من المؤشرات الأخرى، فإن المناطق الاستوائية الرطبة أيضًا لا تختلف كثيرًا عن المناظر الطبيعية للغابات الرطبة الأخرى. ومع ذلك، من حيث كمية البوتاسيوم في الكتلة الحيوية، تختلف المناطق الاستوائية الرطبة عن الغابات النفضية. تبلغ الكتلة الحيوية للحيوانات في المناطق الاستوائية الرطبة حوالي 1% من الكتلة الحيوية (45 سم/هكتار). هذه هي في الأساس النمل الأبيض والنمل وغيرها من الحيوانات السفلية. وفقًا لهذا المؤشر، تختلف المناطق الاستوائية الرطبة بشكل حاد عن التايغا، حيث يتراكم فقط 3.6 سنت/هكتار من زوماس (0.01٪ من الكتلة الحيوية). يؤدي تحلل كتلة كبيرة من المواد العضوية إلى تشبع الماء بثاني أكسيد الكربون والأحماض العضوية. العناصر الرئيسية التي تدخل الماء أثناء الدورة البيولوجية هي Si وCa، K. Mg، Al، Fe، Mn، S. تحتوي أوراق الأشجار الاستوائية على نسبة عالية من Si. أثناء الدورة البيولوجية، تغسل مياه الأمطار كمية كبيرة من N، P، K، Ca، Mg، Na، CI، S وعناصر أخرى من الأوراق.

السهوب والصحاري متشابهة في العديد من الخصائص. الكتلة الحيوية في السهوب أقل بكثير من المناظر الطبيعية للغابات - من 100 إلى 350 سنتمتر / هكتار. معظمها، على عكس الغابات، يتركز في الجذور (70 - 90٪). تبلغ الكتلة الحيوية للحيوانات في السهوب حوالي 6٪. يبلغ الإنتاج السنوي 13 - 50 سنتمتر/هكتار، أي 30 - 50% من الكتلة الحيوية.

في كل عام، تشارك مئات الكيلوجرامات من المواد القابلة للذوبان في الماء (لكل هكتار واحد) في الدورة البيولوجية للذرات في السهوب، أي أكثر بكثير مما كانت عليه في التايغا (سهوب المروج - 700 كجم/هكتار؛ التايغا الجنوبية - 155 كجم/هكتار) ها). في مروج السهوب، يتم إرجاع 700 كجم / هكتار من المواد القابلة للذوبان في الماء سنويًا مع القمامة، وفي المواد الجافة - 150 كجم / هكتار (في غابات التنوب في التايغا الجنوبية - 120 كجم / هكتار). تلعب القواعد دورًا مهمًا في القمامة، حيث تعمل على تحييد الأحماض العضوية تمامًا.

على عكس المناظر الطبيعية للغابات، تتراكم المواد العضوية في تربة السهوب بمقدار 20 إلى 30 مرة أكثر من الكتلة الحيوية (في مروج السهوب - ما يصل إلى 8000 سم مكعب / هكتار من الدبال؛ في السهوب الجافة - 1000 - 1500 سم مكعب / هكتار). بالنسبة للسهوب والصحاري، فإن العناصر الأكثر تميزًا هي الكالسيوم والصوديوم والمغنيسيوم، والتي تتراكم أثناء تملح المياه والتربة ومنتجات التجوية.

بناءً على تركيبتها المعدنية، تنقسم جميع أعشاب السهوب إلى ثلاث مجموعات: أعشاب ذات محتوى عالي من Si ومحتوى منخفض من النيتروجين؛ البقوليات التي تحتوي على تراكم كبير من البوتاسيوم والكالسيوم والنيتروجين؛ الأعشاب التي تحتل موقعا متوسطا.

تدخل المواد إلى الكائنات الحية من التربة والهواء والماء. يتبخر الماء من المحيطات ويصعد إلى طبقات الجو مكونا الأمطار. تستخدم النباتات الخضراء الماء الذي يدخل التربة. مع الحفاظ على وظائفها الحيوية، فإنها تطلق في الوقت نفسه الأكسجين الضروري للحياة. في الوقت نفسه، دون التعرض للأكسجين، لا يمكن أن تحدث عمليات التحلل وتعفن النباتات. ما اسم هذه الحلقة المفرغة التي تجعل الحياة ممكنة على الأرض، وما هي مميزاتها؟

المفهوم الرئيسي للبيئة

الدورة البيولوجية هي تداول العناصر الكيميائية التي نشأت في وقت واحد مع أصل الحياة على كوكبنا، والتي تحدث بمشاركة الكائنات الحية.

الأنماط المتأصلة في دورة المواد تحل المشاكل الرئيسية للحفاظ على الحياة على الأرض. بعد كل شيء، فإن احتياطيات العناصر الغذائية على سطح الأرض بأكمله ليست غير محدودة، على الرغم من أنها ضخمة. إذا تم استهلاك هذه الاحتياطيات من قبل الكائنات الحية فقط، فيجب أن تنتهي الحياة في لحظة ما. كتب العالم ر. ويليامز: «إن الطريقة الوحيدة التي تسمح لكمية محدودة بأن تمتلك خاصية اللانهاية هي جعلها تدور على طول مسار خط منحني مغلق». لقد قررت الحياة نفسها ضرورة استخدام هذه الطريقة على الأرض. يتم إنشاء المواد العضوية بواسطة النباتات الخضراء، في حين يتم تقسيم المواد غير الخضراء.

في الدورة البيولوجية، يأخذ كل نوع من الكائنات الحية مكانه. المفارقة الرئيسية للحياة هي أنه يتم الحفاظ عليها من خلال عمليات التدمير والتحلل المستمر. يتم تدمير المركبات العضوية المعقدة عاجلاً أم آجلاً. ويصاحب هذه العملية إطلاق الطاقة وفقدان المعلومات المميزة للكائن الحي. تلعب الكائنات الحية الدقيقة دورًا كبيرًا في الدورة البيولوجية للمواد وتطور الحياة - وبمشاركتها يتم تضمين أي شكل من أشكال الحياة في الدورة الحيوية.

روابط السلسلة الحيوية

تتمتع الكائنات الحية الدقيقة بخاصيتين تسمحان لها باحتلال مثل هذا المكان المهم في دائرة الحياة. أولا، يمكنهم التكيف بسرعة كبيرة مع الظروف البيئية المتغيرة. ثانيا، يمكنهم استخدام مجموعة واسعة من المواد، بما في ذلك الكربون، لتجديد احتياطيات الطاقة. ولا يمتلك أي من الكائنات العليا مثل هذه الخصائص. إنها موجودة فقط كبنية فوقية فوق الأساس الأساسي لمملكة الكائنات الحية الدقيقة.

الأفراد والأنواع من مختلف الطبقات البيولوجية هم روابط في دورة المواد. كما أنها تتفاعل مع بعضها البعض باستخدام أنواع مختلفة من الاتصالات. تتضمن دورة المواد على نطاق الكوكب دورات بيولوجية خاصة في الطبيعة. ويتم تنفيذها بشكل رئيسي من خلال السلاسل الغذائية.

سكان خطير من غبار المنزل

تلعب النباتات الرمامية، "المقيمة" الدائمة في غبار المنزل، دورًا مهمًا أيضًا في الدورة البيولوجية. تتغذى على مجموعة متنوعة من المواد التي تشكل جزءًا من غبار المنزل. في الوقت نفسه، تنتج الخلايا الرمامية برازًا سامًا إلى حد ما، مما يثير الحساسية.

من هي هذه المخلوقات التي لا ترى بالعين البشرية؟ تنتمي النباتات الرخوة إلى عائلة العنكبوتيات. يرافقون الشخص طوال حياته. بعد كل شيء، يتغذى عث الغبار على غبار المنزل، والذي يشمل أيضًا جلد الإنسان. يعتقد العلماء أن النباتات الرمية كانت ذات يوم من سكان أعشاش الطيور، ثم "انتقلت" إلى منازل البشر.

عث الغبار، الذي يلعب دورًا كبيرًا في الدوران البيولوجي، له أحجام صغيرة جدًا - من 0.1 إلى 0.5 ملم. لكنها نشطة للغاية لدرجة أنه في غضون 4 أشهر فقط، يمكن لعث الغبار أن يضع حوالي 300 بيضة. غرام واحد من غبار المنزل يمكن أن يحتوي على عدة آلاف من العث. من المستحيل تخيل عدد عث الغبار الذي يمكن أن يوجد في المنزل، لأنه يعتقد أنه في منزل الإنسان يمكن أن يتراكم ما يصل إلى 40 كجم من الغبار في عام واحد.

دورة في الغابة

في الغابة تكون الدورة البيولوجية أقوى بسبب تغلغل جذور الأشجار في أعماق التربة. عادةً ما يُعتبر الرابط الأول في هذا الدوران هو ما يسمى برابط الجذور. منطقة الجذور هي طبقة رقيقة من التربة (3 إلى 5 ملم) تحيط بالشجرة. عادة ما تكون التربة المحيطة بجذور الشجرة (أو "تربة الغلاف الجوي") غنية جدًا بإفرازات الجذور والكائنات الحية الدقيقة المختلفة. رابط الجذور هو نوع من البوابة بين الطبيعة الحية وغير الحية.

رابط الاستهلاك موجود في الجذور التي تمتص المعادن من التربة. يتم غسل بعض المواد مرة أخرى إلى التربة عن طريق هطول الأمطار، ولكن يتم إرجاع معظم العناصر الغذائية خلال عمليتين - القمامة والتحلل.

دور القمامة والنفايات

للقمامة والقمامة معاني مختلفة في الدورة البيولوجية للمواد. تشمل القمامة مخاريط الأشجار والفروع والأوراق وحطام العشب. لا يقوم الباحثون بإدراج الأشجار في القمامة - فهي مصنفة على أنها قمامة. قد يستغرق التحلل عقودًا حتى يتحلل. في بعض الأحيان يمكن أن تكون القمامة بمثابة مادة غذائية لأنواع الأشجار الأخرى - ولكن فقط بعد الوصول إلى مرحلة معينة من التحلل. تحتوي النفايات على العديد من المواد التي تنتمي إلى فئة الرماد. تدخل التربة ببطء وتستخدمها النباتات لمزيد من الحياة.

على ماذا تعتمد القمامة؟

للقمامة معنى مختلف قليلاً في الدورة البيولوجية. في غضون عام، يمر حجمه بالكامل إلى طبقة القمامة ويخضع للتحلل الكامل. تدخل عناصر الرماد إلى الدورة الحيوية بشكل أسرع بكثير. ومع ذلك، في الواقع، تعتبر القمامة جزءًا من الدوران البيولوجي بالفعل عندما تكون الأوراق على الشجرة. ويعتمد معدل الرمي على عوامل عديدة: المناخ، والطقس في العام الحالي والسابق، وعدد الحشرات. في غابات التندرا يصل إلى عدة مراكز، في الغابات يقاس بالطن. أكبر كمية من القمامة في الغابات تحدث في الربيع والخريف. ويختلف هذا الرقم أيضًا حسب السنة.

أما التركيب العضوي للإبر والأوراق، فإنها تخضع لنفس التغيرات خلال الدورة. على عكس القمامة، عادة ما تكون الأوراق الخضراء غنية بالفوسفور والبوتاسيوم والنيتروجين. القمامة، كقاعدة عامة، غنية بالكالسيوم. للحشرات والحيوانات تأثير كبير على الدورة البيولوجية. على سبيل المثال، يمكن للحشرات التي تأكل أوراق الشجر أن تسرع الأمر بشكل كبير. ومع ذلك، فإن التأثير الأكبر على معدل الدوران هو الذي تمارسه الحيوانات أثناء تحلل القمامة. تأكل اليرقات والديدان وتسحق الفضلات وتخلطها مع الطبقات العليا من التربة.

التمثيل الضوئي في الطبيعة

يمكن للنباتات استخدام ضوء الشمس لتجديد احتياطيات الطاقة. يفعلون ذلك على مرحلتين. في المرحلة الأولى، يتم التقاط الضوء عن طريق الأوراق؛ وفي الحالة الثانية، تُستخدم الطاقة في عملية احتجاز الكربون وتكوين المواد العضوية. يسمي علماء الأحياء النباتات الخضراء ذاتية التغذية. إنهم أساس الحياة على الكوكب بأكمله. تعتبر الكائنات ذاتية التغذية ذات أهمية كبيرة في عملية التمثيل الضوئي والدورة البيولوجية. يقومون بتحويل الطاقة من ضوء الشمس إلى طاقة مخزنة من خلال تكوين الكربوهيدرات. وأهمها سكر الجلوكوز. وتسمى هذه العملية التمثيل الضوئي. يمكن للكائنات الحية من الفئات الأخرى الحصول على الطاقة الشمسية عن طريق تناول النباتات. وهكذا تظهر سلسلة غذائية تضمن تداول المواد.

أنماط عملية التمثيل الضوئي

على الرغم من أهمية عملية التمثيل الضوئي، إلا أنها ظلت غير مستكشفة لفترة طويلة. فقط في بداية القرن العشرين، أجرى العالم الإنجليزي فريدريك بلاكمان العديد من التجارب التي كان من الممكن من خلالها إنشاء هذه العملية. وكشف العالم أيضًا عن بعض أنماط عملية التمثيل الضوئي: وتبين أنها تبدأ في الإضاءة المنخفضة، وتزداد تدريجيًا مع تدفقات الضوء. ومع ذلك، يحدث هذا فقط عند مستوى معين، وبعد ذلك لا يؤدي الضوء المتزايد إلى تسريع عملية التمثيل الضوئي. ووجد بلاكمان أيضًا أن زيادة درجة الحرارة تدريجيًا مع زيادة الضوء يعزز عملية التمثيل الضوئي. زيادة درجة الحرارة في الإضاءة المنخفضة لا تؤدي إلى تسريع هذه العملية، وكذلك زيادة الضوء في درجة الحرارة المنخفضة.

عملية تحويل الضوء إلى كربوهيدرات

تبدأ عملية التمثيل الضوئي بعملية اصطدام الفوتونات الصادرة من ضوء الشمس بجزيئات الكلوروفيل الموجودة في أوراق النباتات. وهو الكلوروفيل الذي يعطي النباتات لونها الأخضر. يحدث التقاط الطاقة على مرحلتين، يسميهما علماء الأحياء النظام الضوئي الأول والنظام الضوئي الثاني. ومن المثير للاهتمام أن أعداد هذه الأنظمة الضوئية تعكس الترتيب الذي اكتشفها العلماء به. وهذه إحدى الشذوذات في العلم، حيث أن التفاعلات تحدث أولاً في النظام الضوئي الثاني، وعندها فقط في النظام الأول.

يصطدم فوتون من ضوء الشمس بـ 200-400 جزيء من الكلوروفيل الموجود في الورقة. في هذه الحالة، تزداد الطاقة بشكل حاد ويتم نقلها إلى جزيء الكلوروفيل. هذه العملية مصحوبة بتفاعل كيميائي: يفقد جزيء الكلوروفيل إلكترونين (وهما بدورهما يقبلهما ما يسمى "مستقبل الإلكترون"، وهو جزيء آخر). وأيضاً عندما يصطدم الفوتون بالكلوروفيل يتكون الماء. تسمى الدورة التي يتحول فيها ضوء الشمس إلى كربوهيدرات بدورة كالفين. لا يمكن التقليل من أهمية عملية التمثيل الضوئي والدورة البيولوجية للمواد - فبفضل هذه العمليات يتوفر الأكسجين على الأرض. الموارد المعدنية التي يحصل عليها الإنسان - الخث والزيت - هي أيضًا حاملات للطاقة المخزنة أثناء عملية التمثيل الضوئي.

في هذا العمل، ندعوك إلى التفكير في ماهية الدورة البيولوجية. وما هي وظائفها وأهميتها لكوكبنا؟ وسننتبه أيضًا إلى مسألة مصدر الطاقة لتنفيذه.

ما تحتاج إلى معرفته أيضًا قبل أن نفكر في الدورة البيولوجية هو أن كوكبنا يتكون من ثلاث قذائف:

• الغلاف الصخري (القشرة الصلبة، بشكل تقريبي، هي الأرض التي نسير عليها)؛
• الغلاف المائي (حيث يمكن أن تعزى كل المياه، أي البحار والأنهار والمحيطات، وما إلى ذلك)؛
• الغلاف الجوي (الغلاف الغازي، الهواء الذي نتنفسه).

هناك حدود واضحة بين جميع الطبقات، لكنها قادرة على اختراق بعضها البعض دون أي صعوبة.

دورة المواد

كل هذه الطبقات تشكل المحيط الحيوي. ما هي الدورة البيولوجية؟ يحدث هذا عندما تتحرك المواد في جميع أنحاء المحيط الحيوي، أي في التربة والهواء والكائنات الحية. هذا الدوران الذي لا نهاية له يسمى الدورة البيولوجية. ومن المهم أيضًا معرفة أن كل شيء يبدأ وينتهي في النباتات.

تحتها تكمن عملية معقدة بشكل لا يصدق. أي مواد من التربة والغلاف الجوي تدخل إلى النباتات، ثم إلى الكائنات الحية الأخرى. ثم تبدأ الهيئات التي استوعبتها في إنتاج مركبات معقدة أخرى بنشاط، وبعد ذلك يتم إطلاق سراح الأخير. يمكننا القول أن هذه عملية تعبر عن الترابط بين كل شيء على كوكبنا. تتفاعل الكائنات الحية مع بعضها البعض، وهذه هي الطريقة الوحيدة التي نعيش بها حتى يومنا هذا.

لم يكن الجو دائمًا كما نعرفه. في السابق، كانت قذيفة الهواء لدينا مختلفة تماما عن الحالية، أي أنها كانت مشبعة بثاني أكسيد الكربون والأمونيا. فكيف ظهر الناس الذين يستخدمون الأكسجين للتنفس؟ يجب أن نشكر النباتات الخضراء التي تمكنت من تحويل حالة الغلاف الجوي لدينا إلى الشكل اللازم للإنسان. تمتص الحيوانات العاشبة الهواء والنباتات، كما أنها مدرجة في قائمة الحيوانات المفترسة. عندما تموت الحيوانات، تتم معالجة بقاياها بواسطة الكائنات الحية الدقيقة. هذه هي الطريقة التي يتم بها الحصول على الدبال الضروري لنمو النبات. كما ترون، الدائرة مغلقة.

مصدر طاقة

الدورة البيولوجية مستحيلة بدون طاقة. ما هو أو من هو مصدر الطاقة لتنظيم هذا التبادل؟ وبطبيعة الحال، مصدر الطاقة الحرارية لدينا هو نجم الشمس. إن الدورة البيولوجية مستحيلة بدون مصدر الحرارة والضوء. تسخن الشمس:

• هواء؛
• تربة؛
• الغطاء النباتي.

أثناء التسخين، يتبخر الماء ويبدأ بالتراكم في الجو على شكل سحب. ستعود كل المياه في النهاية إلى سطح الأرض على شكل أمطار أو ثلوج. وبعد عودته يشبع التربة وتمتصه جذور الأشجار المختلفة. إذا تمكنت المياه من اختراق عميقا للغاية، فإنها تجدد احتياطيات المياه الجوفية، بل إن بعضها يعود إلى الأنهار والبحيرات والبحار والمحيطات.

كما تعلمون، عندما نتنفس، فإننا نمتص الأكسجين ونزفر ثاني أكسيد الكربون. لذا، تحتاج الأشجار أيضًا إلى الطاقة الشمسية لمعالجة ثاني أكسيد الكربون وإعادة الأكسجين إلى الغلاف الجوي. وتسمى هذه العملية التمثيل الضوئي.

الدورات البيولوجية

لنبدأ هذا القسم بمفهوم "العملية البيولوجية". إنها ظاهرة متكررة. يمكننا أن نلاحظ التي تتكون من العمليات البيولوجية التي تتكرر باستمرار على فترات معينة.

يمكن رؤية العملية البيولوجية في كل مكان، فهي متأصلة في جميع الكائنات الحية التي تعيش على كوكب الأرض. وهو أيضًا جزء من جميع مستويات المنظمة. أي أنه يمكننا ملاحظة هذه العمليات داخل الخلية وفي المحيط الحيوي. يمكننا التمييز بين عدة أنواع (دورات) من العمليات البيولوجية:

• خلال اليوم؛
• البدل اليومي
• موسمي؛
• سنوي؛
• الدائمة؛
• منذ قرون.

الدورات السنوية هي الأكثر وضوحا. نراهم دائمًا وفي كل مكان، علينا فقط أن نفكر قليلاً في هذه القضية.

ماء

والآن ندعوك إلى النظر في الدورة البيولوجية في الطبيعة باستخدام مثال الماء، وهو المركب الأكثر شيوعًا على كوكبنا. ويتمتع بقدرات عديدة، مما يسمح له بالمشاركة في العديد من العمليات سواء داخل الجسم أو خارجه. تعتمد حياة جميع الكائنات الحية على دورة H2O في الطبيعة. بدون الماء، لن نكون موجودين، وسيبدو الكوكب وكأنه صحراء هامدة. إنها قادرة على المشاركة في جميع العمليات الحيوية. وهذا يعني أنه يمكننا استخلاص الاستنتاج التالي: جميع الكائنات الحية على كوكب الأرض تحتاج ببساطة إلى مياه نظيفة.

لكن المياه ملوثة دائمًا نتيجة لبعض العمليات. فكيف يمكنك إذن أن تزود نفسك بإمدادات لا تنضب من مياه الشرب النظيفة؟ لقد اهتمت الطبيعة بهذا الأمر، وعلينا أن نشكر وجود نفس دورة المياه في الطبيعة على ذلك. لقد نظرنا بالفعل في كيفية حدوث كل هذا. يتبخر الماء ويتجمع في السحب ويسقط على شكل أمطار (أمطار أو ثلج). وتسمى هذه العملية عادة "الدورة الهيدرولوجية". يعتمد على أربع عمليات:

• تبخر؛
• تركيز؛
• تساقط؛
• تدفق المياه

هناك نوعان من دورة المياه: الكبيرة والصغيرة.

كربون

الآن سوف ننظر في كيفية حدوث البيولوجية في الطبيعة. ومن المهم أيضًا معرفة أنها تحتل المرتبة 16 فقط من حيث نسبة المواد. قد تظهر على شكل الماس والجرافيت. ونسبته في الفحم تزيد على التسعين بالمائة. بل إن الكربون جزء من الغلاف الجوي، لكن محتواه صغير جدًا، حوالي 0.05 بالمائة.

في المحيط الحيوي، بفضل الكربون، يتم إنشاء كتلة بسيطة من المركبات العضوية المختلفة التي تحتاجها جميع الكائنات الحية على كوكبنا. خذ بعين الاعتبار عملية التمثيل الضوئي: تمتص النباتات ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي وتعالجه، مما ينتج عنه مجموعة متنوعة من المركبات العضوية.

الفوسفور

أهمية الدورة البيولوجية كبيرة جدًا. وحتى لو تناولنا الفسفور فهو موجود بكميات كبيرة في العظام وهو ضروري للنباتات. المصدر الرئيسي هو الأباتيت. ويمكن العثور عليها في الصخور النارية. وتستطيع الكائنات الحية الحصول عليه من:

• تربة؛
• موارد المياه.

ويوجد أيضًا في جسم الإنسان، وهو جزء من:

• البروتينات.
• حمض نووي؛
• أنسجة العظام.
• الليسيثين.
• فيتينس وما إلى ذلك.

وهو الفوسفور الضروري لتراكم الطاقة في الجسم. عندما يموت كائن حي، فإنه يعود إلى التربة أو البحر. وهذا يعزز تكوين الصخور الغنية بالفوسفور. وهذا له أهمية كبيرة في الدورة الحيوية.

نتروجين

الآن سوف ننظر إلى دورة النيتروجين. وقبل ذلك نلاحظ أنها تشكل حوالي 80% من إجمالي حجم الغلاف الجوي. موافق، هذا الرقم مثير للإعجاب للغاية. بالإضافة إلى كونه أساس تكوين الغلاف الجوي، يوجد النيتروجين في الكائنات الحية النباتية والحيوانية. يمكننا أن نجدها على شكل بروتينات.

أما بالنسبة لدورة النيتروجين فيمكننا أن نقول هذا: النترات تتشكل من النيتروجين الجوي الذي يتم تصنيعه بواسطة النباتات. تسمى عملية تكوين النترات عادةً بتثبيت النيتروجين. عندما يموت النبات ويتعفن، يدخل النيتروجين الموجود فيه إلى التربة على شكل أمونيا. تتم معالجة (تأكسد) الأخير بواسطة الكائنات الحية التي تعيش في التربة، وهكذا يظهر حمض النيتريك. وهي قادرة على التفاعل مع الكربونات التي تشبع التربة. بالإضافة إلى ذلك، تجدر الإشارة إلى أن النيتروجين ينطلق أيضًا في شكله النقي نتيجة تعفن النباتات أو أثناء عملية الاحتراق.

الكبريت

مثل العديد من العناصر الأخرى، فهو يرتبط ارتباطًا وثيقًا بالكائنات الحية. يدخل الكبريت إلى الغلاف الجوي نتيجة للانفجارات البركانية. يمكن معالجة كبريتيد الكبريت بواسطة الكائنات الحية الدقيقة، وهذه هي الطريقة التي تولد بها الكبريتات. يتم امتصاص هذا الأخير من قبل النباتات، والكبريت هو جزء من الزيوت الأساسية. أما بالنسبة للجسم فنجد الكبريت في:

• أحماض أمينية؛
• السناجب