2.4.1. Sinh quyển và sinh khối

Các khái niệm hiện đại về sinh quyển đã xuất hiện trong các công trình của nhà tự nhiên vĩ đại người Pháp J.B.Lamac vào đầu thế kỷ XIX. Năm 1875, nhà Địa chất nổi tiếng người Aïo E.Zins (1831-1914) đã tách sinh quyển thành 1 quyển độc lập của Trái đất. Học thuyết về sinh quyển (biosphere) được nhà Địa hóa người Nga V.N.Vernatxki đưa ra năm 1926. Theo học thuyết này, sinh quyển là toàn bộ dạng vật chất sống tồn tại ở bên trong, bên trên và phía trên Trái đất hoặc là lớp vỏ sống của Trái đất, một hệ thống động vô cùng phức tạp với số lượng lớn các yếu tố ngẫu nhiên và nhiều quá trình mang đặc điểm xác suất. Đây là một hệ thống động và rất phức tạp. Nhờ hoạt động của các HST mà năng lượng ánh sáng Mặt trời đã bị biến đổi cơ bản để tạo thành vật chất hữu cơ trên Trái đất. Sự sống trên bề mặt Trái đất được phát triển nhờ sự tổng hợp các mối quan hệ tương hổ giữa các sinh vật với MT tạo thành dòng liên tục trong quá trình trao đổi vật chất và năng lượng. Như vậy, trong sự hình thành sinh quyến có sự tham gia tích cực của các yếu tố bên ngoài như năng lượng Mặt trời, sự nâng lên và hạ xuống của vỏ Trái đất, các quá trình tạo núi, băng hà,...Các cơ chế xác định tính thống nhất và toàn diện của sinh quyển là sự di chuyển và tiến hóa của thế giới sinh vật; vòng tuần hoàn sinh địa hóa của các nguyên tố hóa học; vòng tuần hoàn nước tự nhiên. Sinh quyển tồn tại trên Trái đất trong mối cân bằng động với các hệ tự nhiên khác.Với sự xuất hiện và phát triển mạnh mẽ của loài người, bên trên sinh quyển hình thành một quyển đặc biệt là Trí tuệ quyển (Noosphere).

2.4.2. Hệ sinh thái

    Hệ sinh thái (HST) là tập hợp của quần xã sinh vật và sinh cảnh. Quần xã và sinh cảnh là hai thành phần của một khối thống nhất tạo thành một hệ thống tương đối ổn định, bền vững. Có thể minh họa bằng công thức sau:

QUẦN XÃ SINH VẬT + MÔI TRƯỜNG XUNG QUANH + NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI = HỆ SINH THÁI

Sinh quyển được duy trì và phát triển trong những hệ thống tác động tương hỗ giữa sinh vật và MT vô sinh xung quanh, như một thực thể khách quan, xác định trong không gian và thời gian, được gọi là HST.

Theo độ lớn, HST có thể chia thành: HST nhỏ (bể nuôi cá), HST vừa (một thảm rừng, một hồ chưa nước), HST lớn (đại dương). Tập hợp tất cả các HST trên bề mặt Trái đất thành một HST khổng lồ là sinh thái quyển(sinh quyển).

Trong HST, tồn tại hai thành phần : vô sinh (abiotic) như nước, không khí,... và sinh vật ( biotic). Giữa 2 thành phần trên luôn có sự trao đổi chất, năng lượng và thông tin. Sinh vật trong HST được chia làm 3 loại chủ yếu:

· Sinh vật sản xuất, thông thường là tảo hoặc thực vật, có chức năng tổng hợp chất hữu cơ từ vật chất vô sinh dưới tác động của ánh sáng Mặt Trời.

· Sinh vật tiêu thụ, gồm các loại động vật ở nhiều bậc khác nhau. Bậc 1 là động vật ăn thực vật. Bậc 2 là động vật ăn thịt,...

· Sinh vật phân hủy gồm các vi khuẩn, nấm, phân bố ở khắp mọi nơi, có chức năng chính là phân hủy xác chết sinh vật, chuyển chúng thành các thành phần dinh dưỡng cho thực vật.

Trong HST liên tục xảy ra quá trình tổng hợp và phân hủy vật chất hữu cơ và năng lượng. Các HST đều có nhu cầu về nguồn năng lượng bên ngoài, nhất là ánh sáng mặt trời để hoạt động. Những yếu tố vô cơ cần thiết cho đời sống của sinh vật đều được sử dụng và tái sử dụng theo chu trình trong HST.

2.4.2. Các chu trình sinh địa hóa

Thực vật tổng hợp hydratcacbon trực tiếp từ khí oxit cacbon, nước, các khoáng chất tan trong đất và nước để tạo ra các tế bào của mình. Động vật ăn cỏ sử dụng các chất hữu cơ do thực vật tổng hợp. Động vật ăn thịt sử dụng động vật ăn cỏ làm thức ăn.Tất cả thức ăn thừa, xác chết của động vật được vi khuẩn và nấm phân hủy thành các hợp chất đơn giản làm chất dinh dưỡng cho thực vật. Các chất dinh dưỡng theo chu trình tuần hoàn trên chuyển vận từ đất, nước, không khí, đá và các cơ thể sống nhờ nguồn năng lượng được cung cấp từ Mặt Trời.

Trong thành phần của tế bào sống có mặt hầu hết các nguyên tố hóa học quan trọng của sinh quyển. Hàm lượng của các nguyên tố hóa học chứa trong các tế bào sống sắp xếp theo trật tự từ cao xuống thấp như sau: C-H-O-N-P-C-Cl-Cu-Fe-Mg-K-Na-S-Al- B-Br-Cr-Co-F-Ga-I-Mn-Mo-Se-Si-Sn-Ti-V-Zn. Nồng độ của các nguyên tố trên trong các loài sinh vật thay đổi và phụ thuộc vào từng loại và đặc điểm MT sống của các cá thể.

Chu trình dinh dưỡng của nguyên tố hóa học tham gia vào thành phần của các cơ thể sống có thể trình bày dưới dạng sơ đồ sau:

1. Chu trình nước.

Nước là thành phần quan trọng cần thiết cho sự sống và cơ thể sống của sinh vật. Nước tồn tại trên Trái đất ở 3 dạng: rắn, lỏng và hơi tùy thuộc vào nhiệt độ của bề mặt Trái đất. Ở trong biển và đại dương, nước chiếm 97,5%. Nước vận chuyển trong các quyển, hòa tan và mang theo nhiều các chất dinh dưỡng khoáng và một số chất khác rất cần thiết cho sinh vật.

Nước từ bề mặt đại dương, ao, hồ,... nhờ NLMT, bốc hơi vào khí quyển, ở đó hơi nước ngưng tụ rồi rơi xuống bề mặt Trái đất. Nước chu chuyển trên phạm vi toàn cầu, tạo nên các cân bằng nước và tham gia vào sự điều hòa khí hậu.

2. Chu trình cacbon.

Protêin, cacbon hydrat và nhiều phân tử chứa cacbon khác rất cần thiết cho cơ thể sống. Cacbon chứa ở dạng khí CO2 hòa tan như cacbonat (CO2- 3) và bicacbonat(HCO- 3) trong đá vôi. Thực vật hấp thụ CO2 trong quá trình quang hợp và chuyển hóa thành những hợp chất hữu cơ trong sinh vật sản xuất. (xem hình 2.5)

3. Chu trình nitơ.

Khí nitơ chiếm 78% thể tích khí quyển mà phần lớn động thực vật không sử dụng được. Nếu nitơ biến đổi hòa tan trong nước dưới dạng hợp chất chứa NO- 3 thì được rễ cây hấp thụ như là một phần của chu trình nitơ. Thực vật biến đổi NO- 3 thành phân tử chứa nitơ như protein, axit nucleic cần thiết cho sự sống. Khi động vật và thực vật chết, vi sinh vật phân hủy các phân tử N2 thành khí NH3 và các muối chứa ion NH+ 4.

4. Chu trình photpho.

P là thành phần quan trọng của chất nguyên sinh. Hàm lượng photpho trong cơ thể thường lớn hơn so với môi trường bên ngoài. Vì vậy, photpho trở thành nhân tố sinh thái vừa mang tính giới hạn, vừa mang tính chất điều chỉnh. Trong tự nhiên, photpho có nhiều trong các loại đá, đặc biệt là apatit.

Quá trình phong hóa đá và khoáng hóa các hợp chất hữu cơ, photpho được giải phóng ra và tạo thành các muối của axit photphoric được các rễ cây hấp thụ. Một số lớn photpho đi theo chu trình nước vào đại dương và làm giàu cho nước mặn, làm thức ăn cho sinh vật phù du và phân tán vào các chuỗi thức ăn.

2.4.1. Quang hợp và hô hấp

Từ khi Trái đất được hình thành thì quá trình tổng hợp và phân hủy các chất bằng con đường hóa học cũng diễn ra, quá trình này gọi là "Vòng tuần hoàn địa chất". vào thời kỳ tiền Cambri, những sinh vật đơn bào đầu tiên đã xuất hiện và song song với vòng đại tuần hoàn địa chất là sự ra đời của "Vòng tuần hoàn sinh học". Sinh quyển ra đời và tiến hóa dưới ảnh hưởng của 2 nhóm yếu tố:

- Yếu tố bên ngoài: điều kiện MT thay đổi, các biến cố thiên nhiên và biến đổi địa lý.

- Yếu tố bên trong: sự thay đổi của các thành phần sinh vật bên trong các HST.

Bằng con đường chọn lọctự nhiên và đột biến trong điều kiện MT thayđổi, nhiều lòa bị mất đi, nhiều loài lại phát triển. Dần dần thực vật quang hợp xuất hiện, đánh dấu bước ngoặt quan trọng trên Trái đất về phương diện biến đổi vật chất.Mối quan hệ giữa 2 vòng tuần hoàn trên được minh họa theo hình sau

Quang hợp và hô hấp là 2 khía cạnh của quá trình chuyển hóa năng lượng bên trong sinh vật và sinh quyển.

Quang hợp là tổ hợp phức tạp các phản ứng khác nhau về bản chất.Trong quá trình này xảy ra sự tái tạo các mối liên kết trong các phần tử CO2 và H2O, từ các mối liên kết cũ kiểu cacbon - oxy và hydro - oxy, xuất hiện một kiểu liên kết hóa học mới cacbon - hydro và cacbon - cacbon ;

Kết quả các biến đổi trên, xuất hiện phân tử cacbon nguồn tích lũy năng lượng trong tế bào.

Phương trình tổng quát quá trình quang hợp có thể biểu diễn như sau:

Ánh sáng Mặt Trời

6 CO2 + 6 H2O --------------------à C6H12O6+ 674 kcal/mol

Chu trình tuần hoàn năng lượng trong sinh quyển bởi quang hợp và hô hấp được trình bày trong hình sau:IZWxwIE�c�;3�(