1.2: Циклічність матерії

ВСТУП

Біогеохімічні системи Землі включають складні динамічні процеси, які залежать від багатьох факторів. Три основні фактори, від яких залежить життя на землі:

1. Односторонній потік сонячної енергії в земні системи. В якості променистої енергії він використовується рослинами для виробництва продуктів харчування. Як тепло, він зігріває планету і живить погодну систему. Зрештою, енергія втрачається в космос у вигляді інфрачервоного випромінювання. Велика частина енергії, необхідної для кругообігу матерії через земні системи, надходить від сонця.
2. Циклічність матерії. Оскільки на землі є лише кінцева кількість поживних речовин, їх потрібно переробляти, щоб забезпечити подальше існування живих організмів.
3. Сила тяжіння. Це дозволяє землі підтримувати атмосферу, що охоплює її поверхню, і забезпечує рушійну силу для руху матеріалів вниз в процесах, пов'язаних з циклічним циклом речовини.

Ці фактори є критичними складовими для функціонування земних систем, і їх функції обов'язково взаємопов'язані. Основні системи, що циклічні речовини включають важливі поживні речовини, такі як вода, вуглець, азот і фосфор.

КРУГООБІГ ВОДИ

Землю іноді називають «водною планетою», оскільки понад 70 відсотків її поверхні покрито водою. Фізичні характеристики води впливають на спосіб життя на землі. До таких характеристик можна віднести:

• Вода є рідиною кімнатної температури і залишається такою у відносно широкому діапазоні температур (0-100° C). Цей діапазон перекриває середньорічну температуру більшості біологічних середовищ.
• Для підвищення температури води потрібно відносно велика кількість енергії (тобто вона має високу теплоємність). З цієї причини величезні океани діють як буфер проти різких змін середньої глобальної температури.
• Вода має дуже високу теплоту випаровування. Таким чином, випаровування води забезпечує хороший засіб для організму для розсіювання небажаного тепла.
• Вода є хорошим розчинником для багатьох сполук і забезпечує хороше середовище для хімічних реакцій. Сюди входять біологічно важливі сполуки і реакції.
• Рідка вода має дуже високий поверхневий натяг, сила утримує поверхню рідини разом. Це дозволяє вгору транспортувати воду в рослині і грунті шляхом капілярної дії.
• Тверда вода (лід) має меншу щільність, ніж рідка вода на поверхні землі. В результаті лід плаває на поверхні річок, озер та океанів після його утворення, залишаючи рідку воду нижче, де риби та інші організми можуть продовжувати жити. Якби лід був більш щільним, ніж рідка вода, він би тонув, а водойми в холодному кліматі могли б врешті-решт замерзнути твердим.

Всі живі організми вимагають води для свого подальшого існування. Цикл води (гідрологічний цикл) складається з взаємозв'язків між водоймами в навколишньому середовищі та живими організмами та фізичними процесами (наприклад, випаровуванням та конденсацією), що беруть участь у його транспортуванні між цими резервуарами. Океани містять близько 97 відсотків всієї води на планеті, що залишає близько трьох відсотків як прісна вода. Велика частина прісної води замкнена в льодовиковому і шапковому льоду або похована глибоко в землю, де економічно недоцільно її видобувати. Одна оцінка дає кількість прісної води, доступної для використання людиною, приблизно 0,003 відсотка від загальної кількості прісної води. Однак це насправді більш ніж достатній запас, до тих пір, поки природний кругообіг води не сильно порушується зовнішньою силою, такою як людська діяльність.

Існує кілька важливих процесів, які впливають на транспортування води в круговороті води. Випаровування - це процес, за допомогою якого рідка вода перетворюється на водяну пару. Джерелом енергії для цього процесу зазвичай є сонце. Наприклад, сонячне випромінювання нагріває поверхневу воду в озері, викликаючи її випаровування. Отримана водяна пара таким чином додається в атмосферу, де його можна транспортувати в інше місце. Два важливі ефекти випаровування - охолодження і сушка.

Транспірація - це процес, за допомогою якого вода випаровується з живих рослин. Вода з грунту поглинається корінням рослини і транспортується до листя. Там деякі втрачаються у вигляді пари в атмосферу через невеликі поверхневі отвори.

Коли водяна пара в атмосфері охолоджується, вона може перетворитися на крихітні крапельки рідкої води. Цей процес називається конденсацією, і він може відбуватися, коли водяна пара транспортується в більш прохолодну верхню атмосферу. Пил і пилок в атмосфері допомагають ініціювати процес, забезпечуючи центри конденсації. Якщо краплі залишаються досить маленькими, щоб їх підтримували рухи повітря, вони можуть згрупуватися разом, утворюючи хмару. Конденсація також може відбуватися в повітрі біля землі у вигляді туману або на листках рослин у вигляді роси.

Коли краплі конденсованої води виростають настільки великими, що повітря більше не може підтримувати їх проти тяги тяжіння, вони падають на землю. Це процес, який називається опадами.

Якщо краплі води потрапляють як рідина, це називається дощем. Якщо температура навколишньої повітряної маси досить холодна для замерзання крапель води, то результуючі опади можна назвати снігом, мокрим снігом або градом, в залежності від його морфології.

Вода, що потрапляє на землю (наприклад, як опади або зрошення), може рухатися вниз по схилу над поверхнею (наприклад, поверхневий стік) або проникати на поверхню (наприклад, інфільтрація). Кількість поверхневого стоку та інфільтрації залежить від кількох факторів: швидкості наповнення води, поверхневої вологості, текстури ґрунту або гірських порід, типу та кількості поверхневого покриву (наприклад, листя та вкорінених рослин) та рельєфу поверхні. Поверхневий стік - це переважний процес, який відбувається після опадів, при цьому більша частина води стікає в струмки і озера. На грунтовому схилі, незахищеному рослинністю, стік може відбуватися дуже швидко і призвести до сильної ерозії.

Вода, яка проникає на поверхню, може повільно рухатися вниз через шари грунту або пористої породи в процесі, відомому як перколяція. Під час цього процесу вода може розчиняти мінерали з гірської породи або грунту в міру проходження. Вода збирається в порах гірських порід як грунтові води, коли її зупиняє непроникний шар гірської породи. Верхня межа цих грунтових вод відома як рівень води, а область заболоченої породи відома як водоносний шар. Грунтові води можуть повільно стікати вниз через породи порід, поки не вийде з поверхні як джерело або просочиться в струмок або озеро.

Вода - суть життя. Не було б життя, як ми його знаємо, без води. Величезні океани води надають потужний вплив на погоду і клімат. Вода також є агентом, за допомогою якого форми рельєфу постійно переформуються. Тому кругообіг води відіграє важливу роль в балансі природи.

Діяльність людини може порушити природний баланс водного кругообігу. Накопичення солей, що виникає внаслідок зрошення ґрунтових вод, може спричинити безпліддя ґрунту, а зрошення також може виснажувати підземні водоносні горизонти, спричиняючи просідання суші або вторгнення солоної води з океану. Очищення земель для сільського господарства, будівництва або видобутку корисних копалин може збільшити поверхневий стік та ерозію, тим самим зменшуючи інфільтрацію. Збільшення людського населення та їх концентрація в певних географічних місцевостях продовжуватимуть стресувати водні системи. Необхідна ретельна думка на місцевому, регіональному та глобальному масштабах щодо використання та управління водними ресурсами для водно-болотних угідь, сільського господарства, промисловості та дому.

ВУГЛЕЦЕВИЙ ЦИКЛ

Вуглець є основним будівельним блоком всіх органічних матеріалів, а отже, і живих організмів. Однак переважна більшість вуглецю перебуває як неорганічні мінерали в гірських породах земної кори. Інші резервуари вуглецю включають океани та атмосферу. Кілька фізичних процесів впливають на вуглець, коли він рухається з одного резервуара в інший. Взаємозв'язки вуглецю та біосфери, атмосфери, океанів та земної кори - та процесів, що впливають на нього, описуються вуглецевим циклом.

Вуглецевий цикл фактично складається з декількох взаємопов'язаних циклів. Загальний ефект полягає в тому, що вуглець постійно переробляється в динамічних процесах, що відбуваються в атмосфері, на поверхні і в земній корі. Наприклад, згоряння деревини переносить вуглекислий газ в атмосферу. Вуглекислий газ забирається рослинами і перетворюється на поживні речовини для росту та життєдіяльності. Тварини їдять рослини в їжу і видихають вуглекислий газ в атмосферу, коли вони дихають.

Атмосферний вуглекислий газ розчиняється в океані, де він врешті-решт випадає у вигляді карбонату в відкладах. Океанічні опади підводяться під дією тектоніки плит, розплавляються, а потім повертаються на поверхню під час вулканічної діяльності. Газ вуглекислого газу виділяється в атмосферу під час вивержень вулканів. Деякі атоми вуглецю у вашому тілі сьогодні, можливо, давно проживали в тілі динозавра, або, можливо, колись були поховані глибоко в земній корі як карбонатні гірські мінерали.

Основними процесами вуглецевого циклу за участю живих організмів є фотосинтез і дихання. Ці процеси фактично взаємні один одному щодо циклічності вуглецю: фотосинтез виводить вуглекислий газ з атмосфери, а дихання повертає його. Таким чином, значне порушення одного процесу може вплинути на кількість вуглекислого газу в атмосфері.

Під час процесу, званого фотосинтезом, сировину використовують для виробництва цукру. Фотосинтез відбувається в присутності хлорофілу, зеленого рослинного пігменту, який допомагає рослині використовувати енергію сонячного світла, щоб керувати процесом. Хоча загальний процес включає низку реакцій, чиста реакція може бути представлена наступним:

Цукор забезпечує джерело енергії для інших рослинних процесів, а також використовується для синтезу матеріалів, необхідних для росту та обслуговування рослин. Чистий ефект щодо вуглецю полягає в тому, що він видаляється з атмосфери і включається в рослину як органічні матеріали.

Реципрокний процес фотосинтезу називається диханням. Чистим результатом цього процесу є те, що цукор розщеплюється киснем на вуглекислий газ і воду. Чиста реакція така:

Цей процес відбувається не тільки у рослин, але і у людей і тварин. На відміну від фотосинтезу, дихання може відбуватися як вдень, так і вночі. Під час дихання вуглець видаляється з органічних матеріалів і виганяється в атмосферу у вигляді вуглекислого газу.

Ще один процес, за допомогою якого органічний матеріал переробляється, - це розкладання мертвих рослин і тварин. Під час цього процесу бактерії розщеплюють складні органічні сполуки.

Вуглець виділяється в грунт або воду як неорганічний матеріал або в атмосферу як гази. Розкладений рослинний матеріал іноді закопують і стискають між шарами відкладень. Через мільйони років утворюються викопні види палива, таке вугілля і нафта. Коли викопне паливо спалюється, вуглець повертається в атмосферу як вуглекислий газ.

Вуглецевий цикл дуже важливий для існування життя на землі. Щоденне утримання живих організмів залежить від готовності наявності різних форм вуглецю. Викопне паливо є важливим джерелом енергії для людини, а також сировиною, що використовується для виробництва пластмас та інших промислово важливих органічних сполук. Компонентні процеси вуглецевого циклу забезпечували живі істоти необхідними джерелами вуглецю протягом сотень мільйонів років. Якби не процеси переробки, вуглець давно міг би повністю секвеструватися в гірських породах і відкладеннях, і життя більше не існувало б.

Діяльність людини загрожує порушенням природного кругообігу вуглецю. Двома важливими способами, якими люди вплинули на вуглецевий цикл, особливо в недавній історії, є: 1) викид вуглекислого газу в атмосферу під час спалювання викопного палива та 2) очищення дерев та інших рослин (вирубка лісів), які поглинають вуглекислий газ з атмосфери під час фотосинтез. Чистий ефект цих дій полягає в підвищенні концентрації вуглекислого газу в атмосфері. Підраховано, що глобальний атмосферний вуглекислий газ збільшується приблизно на 0,4% щорічно. Вуглекислий газ є парниковим газом (тобто запобігає виходу інфрачервоного випромінювання з земної поверхні в космос). Тепло замість цього поглинається атмосферою. Багато вчених вважають, що підвищена концентрація вуглекислого газу в атмосфері призводить до глобального потепління.

Це глобальне потепління, в свою чергу, може спричинити значні зміни в глобальній погоді, що може негативно вплинути на все живе на землі. Однак підвищений фотосинтез (що виникає в результаті збільшення концентрації вуглекислого газу) може дещо протидіяти впливу. На жаль, питання спалювання викопного палива, вирубки лісів та глобального потепління переплітаються з економічними та політичними міркуваннями. Крім того, хоча багато вивчено, процеси все ще недостатньо зрозумілі, і їх наслідки неможливо передбачити з упевненістю.

ЦИКЛ АЗОТУ

Елемент Азот важливий для живих організмів і використовується у виробництві амінокислот, білків і нуклеїнових кислот (ДНК, РНК). Молекулярний азот (N2) є найбільш поширеним газом в атмосфері. Однак лише кілька одноклітинних організмів здатні безпосередньо утилізувати цю форму азоту. До них відносяться бактерії виду Rhizobium, що мешкають на кореневих бульбочках бобових, і ціанобактерії (іноді їх називають синьо-зеленими водоростями), які повсюдно зустрічаються у водних і ґрунтових середовищах. Для того, щоб багатоклітинні організми використовували азот, його молекулярна форма (N2) повинна бути перетворена в інші сполуки, наприклад, нітрати або аміак. Цей процес відомий як фіксація азоту. Мікробні організми, такі як ціанобактерії, здійснюють більшу частину земної азотфіксації. На промислове виробництво добрив, викиди від двигунів внутрішнього згоряння і спалювання азоту в блискавці припадає на меншу частку.

Цикл азоту багато в чому залежить від мікробних процесів. Бактерії фіксують азот з атмосфери у вигляді аміаку (NH3) і перетворюють аміак в нітрат (NO3-).

Аміак і селітра засвоюються рослинами через коріння. Люди та тварини отримують свої запаси азоту, харчуючись рослинами або тваринами, що їдять рослини. Азот повертається в цикл, коли бактерії розкладають відходи або мертві тіла цих вищих організмів, і в процесі перетворюють органічний азот в аміак. У процесі, який називається денітрифікація, інші бактерії перетворюють аміак і нітрат в молекулярний азот і закис азоту (N2O). Таким чином, молекулярний азот повертається в атмосферу, щоб знову почати цикл.

Люди порушили цикл азоту в недавній історії шляхом діяльності, що включає підвищену фіксацію азоту. Більша частина цієї підвищеної фіксації азоту є результатом комерційного виробництва добрив і підвищеного спалювання палива (який перетворює молекулярний азот в оксид азоту, NO). Використання промислових добрив на сільськогосподарських угіддях збільшує стік нітратів у водне середовище.

Цей підвищений стік азоту стимулює швидке зростання водоростей. Коли водорості гинуть, вода виснажується киснем і гинуть інші організми. Цей процес відомий як евтрофікація. Надмірне використання добрив також стимулює мікробну денітрифікацію нітратів до закису азоту. Вважається, що підвищений атмосферний рівень закису азоту сприяє глобальному потеплінню. Оксид азоту, доданий в атмосферу, поєднується з водою, утворюючи азотну кислоту (HNO3), а коли азотна кислота розчиняється в краплях води, утворює кислотні дощі. Кислотний дощ пошкоджує здорові дерева, руйнує водні системи та розмиває будівельні матеріали, такі як мармур та вапняк.

ФОСФОРНИЙ ЦИКЛ

Фосфор в земних системах зазвичай знаходиться у вигляді фосфату (PO43-). У живих організмах він є незамінною складовою клітинних мембран, нуклеїнових кислот і АТФ (носієм енергії для всіх форм життя). Він також є компонентом кісток і зубів у людей і тварин. Цикл фосфору відносно простий порівняно з іншими циклами речовини, оскільки задіяно менше резервуарів та процесів. Фосфор не є номінальною складовою атмосфери, існуючи там тільки в частинках пилу.

Найбільше фосфору зустрічається в гірських породах земної кори або в океанських відкладеннях. Коли фосфатсодержащие гірські породи вивітрюються, фосфат розчиняється і потрапляє в річки, озера та ґрунти. Рослини забирають фосфат з ґрунту, тоді як тварини поглинають фосфор, поїдаючи рослини або рослиноїдних тварин. Фосфат повертається в грунт шляхом розкладання тваринних відходів або рослинних і тваринних матеріалів. Цей цикл повторюється знову і знову. Деякий фосфор вимивається до океанів, де він врешті-решт знаходить свій шлях у відкладення дна океану.

Осади заглиблюються і утворюють фосфатноносні осадові породи. Коли ця порода піднімається, оголюється і вивітрюється, фосфат знову виділяється для використання живими організмами.

Переміщення фосфору від гірських порід до живих організмів, як правило, дуже повільний процес, але деякі дії людини прискорюють процес. Фосфатсодержащие породу часто добувають для використання у виробництві добрив і миючих засобів. Це комерційне виробництво значно прискорює цикл фосфору. Крім того, стік з сільськогосподарських угідь і викид стічних вод у водопровідні системи можуть викликати місцеве перевантаження фосфатів. Підвищена доступність фосфату може викликати заростання водоростей. Це знижує рівень кисню, викликаючи евтрофікацію і знищення інших водних видів. Морські птахи відіграють унікальну роль у циклі фосфору. Ці птахи забирають фосфор у океанських риб. Їх послід на суші (гуано) містить високий вміст фосфору і іноді видобувається для комерційного використання.