Aineiden biogeokemiallinen kierto biosfäärissä on tärkein luonnollinen prosessi eri alkuaineiden jatkuvassa vaihdossa elottoman ympäristön ja organismien (eläimet, kasvit jne.) välillä. Kaikki perustuu niiden perusominaisuuksiin. Tärkeimpiä ovat kyky aineenvaihduntaan, lisääntymiseen ja perinnöllisten ominaisuuksien siirtämiseen.
Biogeokemiallinen typen kierto
Jokaisella elementillä on oma merkityksensä. Typellä on tärkeä rooli eri orgaanisten yhdisteiden koostumuksessa. Huolimatta korkeasta typen osuudesta ilmakehässä, se ei ole kasvien ja eläinten saatavilla. Tähän on syitä. Energeettisesti kasveille on hyödyllisempää käyttää mineraalityppeä ja eläimille osana orgaanisia yhdisteitä.
Ilmakehän molekyylityppeä sitovat typpeä sitovat mikro-organismit ja se edistää sen kertymistä maaperään ammoniakin muodossa. Toiset käyttävät typpeä kuolleista organismeista. Ne edistävät myös ammoniakin kertymistä. Se muuttuu nitraateiksi, joita kasvit käyttävät aktiivisesti. Nämä ovat yleisesti ottaen biogeokemian ominaisuuksiatypen kierto. Harkitse myös muiden luonnollisten aineiden aineenvaihduntaa.
Hiilen, rikin ja fosforin biogeokemiallisen kierron piirteet
Nämä kemialliset alkuaineet ovat välttämättömiä jokaiselle elävälle organismille. Heidän elintärkeät tarpeensa eivät kuitenkaan lopu tähän. Siksi makroravinteet osallistuvat pieneen biologiseen kiertoon (eliöiden tarve niille on melko suuri): kalium, magnesium, natrium; sekä hivenaineet: boori, mangaani, kloori jne.
Ne tulevat kasveihin maaperästä, vaikkakin usein sateen mukana. Kasvinsyöjäkuluttajat kuluttavat osana kasvimassaa hiiltä, rikkiä ja fosforia, ja ne pääsevät siten trofisiin ketjuihin. Jotkut eläimet kuitenkin tyydyttävät näiden elementtien tarpeen ohittaen kasvit. Sorkka- ja kavioeläimet vierailevat suolan nuolemissa, purevat maata tai syövät ulosteita, vanhoja luita. Merieläimet imevät suolaa suoraan vedestä. Kuolleiden jäämien mineralisaatioprosessissa mikro-organismit palauttavat kemiallisia elementtejä maaperään ja veteen. Siten heidän toimintansa myötävaikuttaa ympäristön rikastumiseen ravintoaineilla.
Ekosysteemitasapaino
Pienessä biogeokemiallisessa kierrossa biosfäärissä tärkeä seikka on sen täydellisyys. Ekosysteemissä alkuaineiden syöttö ja ulostulo ovat tasapainossa, kun taas vaikeuksia syntyy pääasiassa maaperään varautuneilla alkuaineilla.
Aineen ja energian virtauksen tasapaino määrää ekosysteemin vakauden – sen homeostaasin. Biosfääri käyttää ulkoisia energialähteitä, jotkavarmistaa sen järjestyksen ja melko monimutkaisen rakenteen. Kasvit muuttavat sironneen valoenergian kemiallisen sidosenergian keskittyneeksi tilaan.
Samaan aikaan sekä energian poistuminen ympäristöstä että sen muuntaminen eivät johda jätteen muodostumiseen.
Ihmisen toiminnan vaikutus biosfäärin prosesseihin
Ihminen puuttuu biogeokemiallisiin kiertokulkuihin eri tavoin. Ensinnäkin tämä on ekosysteemin biokomponentin tuhoamista (kasvien tuhoaminen tai alueen muutos energiankantajien louhinnan aikana). Kun orgaanista ainetta poltetaan, väkevöidyn tilan energia siirtyy hajaantuneeksi, mikä johtaa aerosolien ja kaasumaisten palamistuotteiden aiheuttamaan lämpösaasteeseen. Luonnollisessa ekosysteemissä biogeokemiallisiin kiertokulkuihin osallistuvia atomeja käytetään toistuvasti. Tätä helpottaa osallistuminen elintärkeän aineen muodostavien kevyiden biogeenisten alkuaineiden kiertokulkuihin.
Ihmisen väliintulo edellyttää, että ympäristöön joutuu paitsi lisämäärä sen luontaisia alkuaineita, myös uusia kemiallisia yhdisteitä, myös ihmisen syntetisoimia. Monet näistä ottavat kasveihin ja syötetään sitten ravintoketjuun.
Esimerkkinä ovat lyijy, elohopeayhdisteet, arseeni jne. Tällaisten aineiden saanti häiritsee luonnollista kiertokulkua, muuttaa alkuaineiden tasapainoa tai johtaa niiden kertymiseen eläviin organismeihin, mikä vähentää niiden tuottavuutta tai aiheuttaa kuoleman. Erityisestitorjunta-aineilla ja raskasmetalleilla on voimakas tuhoisa vaikutus. Siten ihmisen toiminta voi vahingoittaa ekosysteemin vakautta, sen homeostaasia suoraan tai epäsuorasti.
Ekologinen pyramidi
Käännytään ekosysteemin tärkeimpiin toimintamalleihin ja biogeokemiallisiin kiertokulkuihin. Käytetään tähän ekologisen pyramidin periaatetta. Se on rakennettu troofisten yhtälöiden biologisen massan perusteella. Tällaisen pyramidin minkä tahansa osan pinta-ala on suunnilleen yhtä suuri kuin aineen massa. Koska organismit rakentavat tasoaan käyttämällä edellistä, tämän alueen pitäisi vähitellen pienentyä. Tällainen kunkin tason vähennys voi olla kymmenkertainen.
Esimerkiksi maaekosysteemeille ominaisella ekologisella pyramidilla, jossa tuottajat ovat monivuotisia kasveja, on suuri biomassa, vaikka tuotantoprosessi ei olekaan kaikkein intensiteetin. Sitä tasapainottaa kasvissyöjien massan vuotuinen kasvu. Orgaanisen massan muodostumismallia kutsutaan pyramidisäännöksi. Siitä on muitakin lajikkeita.
Käänteinen pyramidi
Ota vesistöjen ekosysteemi. Heille rakennettu pyramidi saattaa näyttää hieman erilaiselta. Näyttää siltä, että se on ylösalaisin. Tosiasia on, että lyhytikäiset levät lisääntyvät hyvin nopeasti, mutta kuluttajat kuluttavat niitä yhtä voimakkaasti. Näin ollen samanaikaisesti mitattu biomassa ei tässä tapauksessa kuvasta tuotantoprosessin intensiteettiä vuoden suotuisalla ajanjaksolla. Jos otamme huomioon, että suuret kuluttajat (kala,äyriäiset) kerääntyvät ja syödään hitaammin, kuluttajien kokonaismassa on suurempi.
Ekosysteemin tuotantoprosessi mahdollistaa niiden onnistuneen toiminnan. Se määrittää biosfäärin energiavirran luonteen. Kuten tiedät, elävät organismit ovat sen kuluttajia. Auringon valoenergiaa käyttävät vihreät kasvit ja se johtaa orgaanisten molekyylien muodostumiseen, jossa se varastoituu kemiallisten sidosten muodossa. Osa siitä vapautuu kasvien hengityksen aikana, ja ne käyttävät sitä kasvuun, imeytymiseen ja aineiden liikkumiseen. Näin biogeokemiallinen kierto suoritetaan.
Energiavaihto
Kuten tiedät, termodynamiikan lakeja on olemassa. Osa energiasta menee hukkaan ja luovuttaa lämpöä. Tämä on yhden lain toiminta. Hän vahvistaa pakollisen energian menetyksen sen muuttuessa tyypistä toiseen. Kasviaineisiin kertyneenä eläimet käyttävät sitä.
Molekyylien halkeamiseen liittyy energian vapautumista. Merkittävä osa siitä käytetään eläinten elämänprosessissa, siirtyen muodosta toiseen. Nämä ovat biosynteesin ja uusien sidosten energian kertymisen prosesseja. Näitä ovat mekaaninen, sähköinen, lämpö- ja muuntyyppinen energia. Muutoksen aikana osa taas häviää ja luovuttaa lämpöä. Energia siirtyy vähitellen toiselle tasolle. Samalla sen hävikki tapahtuu myös heitettäessä ulos osa sulamattomista ruuasta (ulosteet) ja aineenvaihdunnan orgaanisista jätetuotteista (ulosteet).
Käsittelyenergiankulutus
Kaaos on luonnossa harvinaista, yleensä kaikki on kunnossa. Kiinnitetään huomiota joihinkin energian käyttö- ja muuntamisprosessin kvantitatiivisiin malleihin. Ensimmäisessä vaiheessa kasvit käyttävät keskimäärin noin 1 % tuloistaan. Joskus tämä luku saavuttaa 2 %. Epäsuotuisissa olosuhteissa se laskee 0,1 prosenttiin. Kun energiaa siirretään tuottajilta ensiluokkaisille kuluttajille, hyötysuhde on 10%.
Lihansyöjät näyttävät sulavan ruokaa tehokkaammin. Tämä johtuu elintarvikkeiden kemiallisen koostumuksen erityispiirteistä ja eläinten ruoansulatuksen helppoudesta. Siitä huolimatta jo kolmannen asteen kuluttajien tasolla tulevan energian määrä on hyvin pieni ja sille on tunnusomaista tuhannesosat alkuarvoista.
