Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

24.6: Цикли речовини

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    5694

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

    Діно води?

    Динозавр колись випив воду на малюнку\(\PageIndex{1}\)? Можливо, ви чули твердження - зазвичай зроблено в контексті кругообігу води - про те, що на Землі існує та сама вода, яка існувала десятки мільйонів років тому, коли динозаври бродили по планеті. Насправді динозаври, напевно, не раз пили ті ж молекули води, які ми споживаємо сьогодні. Тоді як атоми, що складають молекули води, існували для еонів, окремі молекули води розщеплюються і реформуються занадто часто, щоб тривати так довго. Проте, на відміну від енергії, яка безперервно додається на Землю Сонцем, вода постійно переробляється.

    вода
    Малюнок\(\PageIndex{1}\): Вода

    Біогеохімічні цикли

    Вода та хімічні елементи, які потребують організмам, безперервно циркулюють через екосистеми, неодноразово проходячи через їх біотичні та абіотичні компоненти. Ці цикли називаються біогеохімічними циклами, оскільки вони є циклами хімічних речовин, які включають як організми (біо), так і абіотичні компоненти, такі як океан або гірські породи (гео). Оскільки речовина рухається через біогеохімічний цикл, вона може триматися протягом різних періодів часу в різних компонентах циклу. Компонент біогеохімічного циклу, який утримує елемент або воду протягом тривалого періоду часу, називається резервуаром. Наприклад, глибокий океан - це резервуар для води. Він може утримувати воду протягом тисяч років.

    Решта цієї концепції детально розглядає чотири конкретні біогеохімічні цикли: цикли води, вуглецю та азоту

    Цикл води

    Вода необхідна всьому живому на Землі, оскільки практично всі біохімічні реакції відбуваються у воді. Вода може розчиняти майже все, що завгодно, тому вона також забезпечує ефективний спосіб передачі речовин між клітинами і всередині них. Цикл води, також відомий як гідрологічний цикл, описує безперервний рух води на, вище і нижче поверхні Землі. У міру циклічності вода переміщається з одного обмінного басейну або водойми в інший. У різних ділянках циклу вода існує у вигляді рідини (вода), твердого (лід) або газу (водяна пара). Тому кругообіг води включає в себе кілька фізичних процесів, за допомогою яких вода змінює стан.

    водний велосипед
    Малюнок\(\PageIndex{2}\): Як і інші біогеохімічні цикли, кругообіг води не має ні початку, ні кінця. Це просто продовжує повторюватися. Відзначимо, що термін «випаровування» на цій схемі відноситься до випаровування води з земної суші і води плюс транспірація води з листя рослин. Коли лід перетворюється в пар, його називають сублімацією. Коли вода конденсується і охолоджується, вона падає вниз, як опади (опади.) Дощова вода і танення снігу стікають до струмків. Деяка кількість води просочується шарами матеріалу в земній корі. Вода зберігається під землею і в океанах, озерах, снігу та хмарах.

    Рух по круговороту води

    • Випаровування відбувається, коли вода на поверхні Землі змінюється на водяну пару. Коли сонце нагріває воду, воно дає молекулам води достатньо енергії, щоб вийти в атмосферу.
    • Сублімація виникає, коли лід і сніг змінюються безпосередньо на водяну пару без попереднього танення з утворенням рідкої води. Сублімація відбувається через спеку від сонця.
    • Транспірація відбувається, коли рослини виділяють водяну пару через пори листя, звані продихами. Рослини забирають більше води через коріння, ніж їм потрібно для фотосинтезу та інших процесів. Значна частина цієї надлишкової води виділяється через транспірацію.
    • Конденсація - це процес, при якому водяна пара змінюється на рідку воду, утворюючи краплі води. Якщо є достатня кількість крапель води, вони можуть утворити видиме хмара. Якщо краплі стають досить великими, вони падають на Землю через гравітацію як опади, такі як дощ, сніг, мокрий сніг або град.
    • Опади, що випадають на сушу, можуть протікати по поверхні грунту. Ця вода називається стоком, і вона з часом може впасти в водойму.
    • Частина опадів, що випадають на сушу, може вбратися в землю і стати грунтовими водами. Грунтові води можуть просочуватися з землі біля джерела або в водойму, наприклад озеро чи океан. Деякі грунтові води можуть бути зайняті корінням рослин. Деякі можуть протікати глибше під землею до водоносного шару.

    Вуглецевий цикл

    Вуглець - основа життя на Землі. Ланцюги вуглецю пов'язані між собою, утворюючи кістяк багатьох біохімічних молекул. Вуглець також є важливим компонентом гірських порід і мінералів, а вуглець існує в атмосфері в таких сполуках, як вуглекислий газ. Цикл вуглецю - це біогеохімічний цикл, в якому вуглець рухається через біотичні та абіотичні компоненти екосистем. Цикл вуглецю представлений діаграмою на рис\(\PageIndex{3}\).

    вуглецевий біогеоцикл
    Малюнок\(\PageIndex{3}\): Вуглець рухається з одного сховища вуглецю в інший у вуглецевому циклі. Вуглець зберігається у воді океану та рослині за допомогою фотосинтезу. Вуглець виділяється в навколишнє середовище при спалюванні викопного палива, тваринам пересихають споживану їжу (рослини), тварини розкладаються, коли вони гинуть, і геологічна діяльність (вулкани).

    Вуглецеві цикли швидко між організмами і атмосферою. Клітинне дихання живими істотами виділяє вуглець в атмосферу у вигляді вуглекислого газу. Фотосинтез таких виробників, як рослини, видаляє вуглекислий газ з атмосфери і використовує його для отримання органічних вуглецевих сполук. Вуглець в органічних сполуках рухається через екосистемні спільноти від виробників до споживачів, як моделюється харчовими ланцюгами та харчовими мережами, які показують відносини годування. Вуглець також виділяється назад у навколишнє середовище при розкладанні організмів.

    Кілька дій людини виділяють величезну кількість додаткового вуглецю в атмосферу. Найбільш значущим з цих дій є спалювання викопного палива. Велика кількість вуглецю в газовому метані також виділяється в атмосферу внаслідок розкладання гною худоби та відходів на звалищах. Деякі природні події також можуть швидко додати вуглецю в атмосферу. Лісові пожежі виробляють вуглекислий газ як продукт горіння, а виверження вулканів виділяють вуглекислий газ з розплавленої породи (магми). Великі виверження вулканів (як на малюнку\(\PageIndex{4}\)) можуть виділяти величезну кількість вуглекислого газу за короткий проміжок часу.

    виверження гори Сент-Хеленс
    Малюнок\(\PageIndex{4}\): Виверження 1980 року гори Сент-Хеленс у штаті Вашингтон випустило величезну кількість вуглецевих газів в атмосферу.

    Вуглець, як правило, повільніше циклічний через інші процеси. Наприклад, проточна вода повільно розчиняє вуглець в гірських породах, і велика частина цього вуглецю потрапляє в океан. Верхній шар океанської води розчиняє частину вуглекислого газу з атмосфери, а вуглець також потрапляє в океанську воду від розкладання водних організмів. Вуглець з цих джерел може осідати на дно океану як осад. Протягом мільйонів років цей вуглець може утворювати викопне паливо або вуглецеві породи. Вуглець може залишатися в цих водоймах мільйони років.

    Цикл азоту

    Азот становить 78 відсотків атмосфери Землі. Це також важливий елемент в живих істотах. Азот потрібен білкам, нуклеїновим кислотам і багатьом іншим органічним молекулам, включаючи хлорофіл, без якого рослини та інші фотоавтотрофи не могли б здійснити фотосинтез. Цикл азоту - це біогеохімічний цикл, який переробляє азот через біотичні та абіотичні компоненти екосистем. \(\PageIndex{5}\)На малюнку показано, як азот циркулює через земну екосистему. Азот проходить через водні екосистеми в аналогічному циклі.

    Біогеоцикл азоту
    Малюнок\(\PageIndex{5}\): Цикл азоту. Газоподібний азот перетворюється на придатну форму азоту ґрунтовими бактеріями. Цей процес називається фіксацією азоту. Деякі бактерії, що фіксують азот, живуть в коренях деяких рослин. Рослини використовують цей азот для збільшення їх біомаси. споживачі харчуються рослинними і тваринними відходами. Коли тварини гинуть, денітрифікуючі бактерії виділяють азот назад в атмосферу. Додавання добрив не є частиною природного циклу азоту.

    Рослини не можуть використовувати газ азоту в повітрі, щоб зробити органічні сполуки для себе та організмів, які їх споживають. Однак вони можуть використовувати азот у вигляді таких сполук, як нітрати, які вони можуть поглинати через своє коріння. Процес зміни газу азоту на нітрати називається азотфіксацією. Він здійснюється бактеріями, званими азотфіксуючими бактеріями, які живуть у ґрунті або на коренях бобових культур, таких як горох. Фіксація азоту є основним джерелом азоту, що використовується рослинами в більшості екосистем.

    Коли рослини та інші організми гинуть або виділяють відходи, розкладники розщеплюють їх органічні сполуки. В процесі вони виділяють в грунт азот у вигляді іонів амонію. Іони амонію можуть поглинатися корінням рослин. Іони також можуть бути змінені на нітрати ґрунтовими бактеріями, які називаються нітрифікуючими бактеріями.

    Не всі нітрати, що виробляються азотфіксуючими і нітрифікуючими бактеріями, використовуються рослинами. Деякі нітрати змінюються назад на газ азоту ґрунтовими бактеріями, які називаються денітрифікуючими бактеріями. Цей азот повертається в атмосферу, тим самим завершуючи цикл.

    Рецензія

    1. Що таке біогеохімічні цикли? Наведіть приклади матерії, які мають такі цикли.
    2. Порівняйте і контрастуйте обмінні басейни і резервуари в біогеохімічних циклах. Наведемо приклад кожного.
    3. Як змінюється вода під час руху по кругообігу води? Проілюструйте свою відповідь прикладами.
    4. Велика частина земної води - солона вода в океані, і більшість опадів випадає назад в океан. Як постійно оновлюється запас прісної води на Землі?
    5. Опишіть, що може статися з рідкими опадами, які випадають на сушу.
    6. Що таке водоносний шар? Як люди можуть отримати доступ до води в водоносному шарі?
    7. Назвіть два резервуари замерзлої води.
    8. Як відбувається кругообіг вуглецю між організмами та навколишнім середовищем?
    9. Поясніть, як дії людини можуть змінити вуглецевий цикл.
    10. Визначте деякі абіотичні процеси, які повільно крутять вуглець.
    11. Як живі істоти отримують азот з навколишнього середовища?
    12. Як азот повертається в атмосферу для завершення циклу азоту?
    13. Правда чи брехня. Рослини беруть участь у круговороті води.
    14. Правда чи брехня. Більшість опадів випадає в океан, оскільки океанська вода покриває більшу частину поверхні Землі.

    Атрибуції

    1. Вода за допомогою drfuenteshernandez через ліцензію Pixabay
    2. Водний цикл Мар'яни Руїс Вільярреал (LadyOfHats) для Фонду CK-12, CC BY-NC 3.0
    3. Цикл вуглецю Маріана Руїс Вільярреал (LadyOfHats) для Фонду CK-12, CC BY-NC 3.0
    4. Виверження гори Сент-Хеленс, Austin Post, суспільне надбання, через Вікісховище
    5. Цикл азоту Мар'яни Руїс Вільярреал (LadyOfHats) для Фонду CK-12, CC BY-NC 3.0
    6. Текст адаптований з біології людини CK-12 ліцензований CC BY-NC 3.0