CICLURILE BIOCHIMICE

Biosfera – este un sistem eterogen de dimensiuni planetare care integrează materia vie şi componentele anorganice ale scoarţei terestre într-un tot unitar, conectat la câmpul energetic al ecosistemului.

Dimensiunile spaţiale ale biosferei. Din punct de vedere strict spaţial (dimensional), biosfera se extinde astfel:1. În hidrosferă (faza fizică lichidă a materiei) 2. În atmosferă (faza fizică gazoasă a materiei)

3. În litosferă (faza fizică solidă a materiei)

Biomasa joacă un rol primordial în procesele biosferei şi îndeplinesc următoarele funcţii:

1. Funcţia gazoasă sau producerea gazelor. Metabolismul organismelor, respiraţia lor şi schimbul de substanţă cu mediul înconjurător cuprinde o parte amplă de funcţii privind reacţiile gazoase ce duc la inspiraţia şi expiraţia oxigenului, bioxidului de carbon, a vaporilor de apă.

O parte componentă a funcţiei gazoase a substanţei vii este şi cea a oxigenului, care reprezintă totalitatea reacţiilor fotosintetizante, ce determină (ziua) eliminarea şi acumularea oxigenului în atmosferă. Din momentul când au apărut plantele verzi inferioare, funcţia de oxigen a substanţe vii se extinde necontenit.

În sol, în stratul aflat imediat de sub sol şi în statul superficial al rocii de eroziune se acumulează cantităţi considerabile de diferite gaze biogene.

Fiecare organism cu clorofilă fotosintetizantă este un purtător activ al funcţiei de oxigen şi bioxid de carbon. Acest gaz este eliberat sub acţiunea energiei solare utilizată în reacţiile de disociere a bioxidului de carbon, apă şi, probabil, a nitraţilor. Prin acest proces carbonul, hidrogenul, azotul sunt utilizate „ca materiale de construcţie" în sinteza substanţelor organice (glucide, proteine lipide, hormoni etc), iar oxigenuleste eliminat оn mediul ambiant.

Toată lumea animală, inclusiv omul (omenirea), pentru care oxigenul este vital, indispensabil, depinde de organismele fotosintetizante, care, în ansamblul lor, reprezintă „substanţa vie autotrofă”.

Împreună cu azotul, oxigenul constituie întreaga troposferă - una din geosferele de bază (mezologice) ale biosferei -, care apoi trece ăn stratosferă. În stratosferă şi mai departe oxigenul este supus schimbărilor fizico-chimice, din care rezultă ozonul, oxidul de oxigen şioxigenul activ care se difuzează în spaţiul cosmic.

În timpul nopţii oxigenul nu se elimină în atmosferă, fiindcă are loc respiraţia plantelor, în rezultatul căreia în mediu se elimină bioxid de carbon, aşa cum o fac permanent şi animalele. Şi toţi fungii şi bacteriile respiră, eliminând bioxid de carbon. Rolul biogeochimic al bioxidului de carbon creşte în special în zona troposferei subterane, unde lipseşte oxigenul. Aici domină troposfera formată exclusiv din azot, bioxid de carbon şi apă.

Un alt gaz de importanţă vitală îl reprezintă azotul liber (N2), cantitatea majoritară a căruia este concentrată în cele 3 zone: atmosferică, subterană şi subacvatică. Aici rolul acestui gaz este pasiv, el dizolvând oxigenul liber, fâcând-1 astfel benefic pentru respiraţia organismelor.

Masa principală a azotului liber din troposferă se formează în partea ei subterană eliminându-se prin jeturile care ţâşnesc din izvoarele subterane. În afară de aceste surse, azotul provine, probabil, şi din reacţiile biogene din activitatea bacteriilor neustonice şi planctonice, care se desfăşoară în straturile superioare ale Oceanului Planetar. De asemenea, o cantitate considerabilă de azot este eliminată de asociaţiile de sargase, precum şi de bacteriile descompunătoare de mortmasă, deosebit de active оn apele arctice şi antarctice.

În straturile superioare ale troposferei, în stratosferă şi mai sus azotul trece în azot activ, care, apoi, se pierde în spaţiul cosmic.

Aşadar, întreaga lume vie (substanţa vie) este legată de circuitul planetar al gazelor. În componenţa materiei vii se găsesc numai acele gaze, care participă la schimbul de gaze al organismelor vii.

2. Funcţia de oxidare, sau de descompunere a mortmasei. Pe parcursul proceselor de eroziune a rocii-mamă, migraţiei şi sedimentării substanţelor, în procesul de formare a solului (geneza solului) un mare rol l-au jucat şi continuă să-1 joace reacţiile de oxidare, sau funcţia de oxidare a substanţei vii, care se datorează producţiei de către plantele fotosintetizante a oxigenului molecular liber. Vegetaţia terestră produce în prezent anual 2,6∙1011

t, iar algele monocelulare din Oceanul Planetar produc 0,6-1011 t/an de oxigen.Apariţia masivă (acum 400 mln. de ani) în structura biosferei a microorganismelor autotrofe împreună cu

plantele verzi, a constituit un moment crucial, schimbând radical condiţiile terestre de reducere-oxidare; dominarea regimului planetar paleoecologic de reducere (determinat de concentraţia mare de bioxid de carbon şi minimul de oxigen) a luat sfârşit, eliberând locul regimului de oxidare, dominant până în prezent. Acest regim ecologic teluric

este determinat de creşterea concentraţiei de oxigen în atmosferă şi de activitatea bacteriilor descompunătoare (saprofite), fără de care circuitul biotic al substanţelor în biosferă este imposibil; sursa nutritivă vitală a acestor bacterii oxidante este mortmasa - partea componentă indispensabilă a fiecărei piramide a biomaselor şi energiilor.

După apariţia bacteriilor, a algelor şi, desigur în special, a plantelor superioare şi a animalelor, soarta unor astfel de elemente şi combinaţii chimice ca Fe, Mn, carbonaţii, nitraţii, sulfizii, istoria azotului, sulfului şi a fosforului s-a schimbat esenţial.

3. Funcţia de reducere. Apariţia în structura biosferei a microorganismelor autotrofe anaerobe a introdus o componentă biogeochimică extrem de importantă. Este vorba despre reacţiile fizico-chimice de reducere a substanţelor minerale, procese în care rolul principal îl joacă fungii, bacteriile desulficatoare, denitrificatoare, cu apariţia hidrogenului sulfurat, oxizilor de azot, metalelor sulfuroase. Formarea rocilor de sedimentare în condiţii subacvatice, pedogeneza în condiţiile deficitului de oxigen (surplusul de umiditate) este, de obicei, însoţită (determinată) de activitatea microorganismelor declanşatoare a proceselor de reducere.

4. Funcţia de împrăştiere (dispersare) a elementelor chimice. Datorită manifestărilor vitale cotidiene, migratiei populaţiilor etc, toate vieţuitoarele răspândesc în mediu atomi ce diverse elemente chimice, modificând astfel clarkurile. De exemplu: cadavrele şi excrementele animalelor sunt surse de difuzare a azotului; lumbricidele aduc, prin excrementele lor, mari cantităţi de atomi în sol şi formează astfel aici un micromediu specii numit drilosferă. Un rol deosebit de important revine organismelor saprofage (sapros. = putred, şi phaghein = a mânca), deoarece acestea înglobează biomasa bacteriană împreună cu detritusul organic, care este sursa principală de atomi, mai ales microelemente pentru animale.

5. Funcţia de acumulare a atomilor elementelor chimice. Toate organismele vii acumulează atomi din mediul înconjurător. Această funcţie a substanţei vii se desfăşoară sub 2 forme:

1. independent de mediu - organismele vii concentrează cu precădere atomii elementelor chimice care au clarkuri mai ridicate în straturi sedimentare şi în apă. Astfel că compoziţia chimică elementară a organismelor (îndeosebi a plantelor) reflectă compoziţia minerală a biotopului.

2. dependent de mediu - când materia vie (organismele) acumuiează selectiv din mediu atomi ai elementelor chimice cu clarkuri reduse.

Dezvoltarea vieţii pe pământ favorizează neîntrerupt creşterea acumulării biogene a elementelor chimice în orizonturile de sol, în mâluri, sapropeluri, roci sedimentare etc.

6. Funcţia de metabolizare a calciului. Mediul înconjurător se îmbogăţeşte cu macroelementul Ca datorită activităţii vitale a bacteriilor, algelor, plantelor superioare, animalelor nevertebrate (echinoderme, artropode, moluşte etc.) şi vertebratelor.

Organismele vii acumulează şi elimină în mediu Ca în formă de săruri slab solubile: carbonaţi, fosfaţi, săruri organice (de exemplu, sărurile acidului oxalic) etc. O cantitate mare de Ca este acumulată în formă de calcare, cretă, tufuri, etc.

În procesul evoluţiei biosferei terestre, acumularea biogenă a Ca s-a fortificat în mod deosebit după apariţia pe uscat (acum circa 400 - 450 mln. de ani) a plantelor superioare. În perioadele timpurii ale istoriei geologice domină procesele chemogene (din gr. chemeia = chimie, şi genesis = origine, provenienţă) de acumulare a acestui element chimic, iar pe măsura dezvoltării vieţii pe Terra a început să prevaleze procesele biogene de circulaţie şi acumulare a Ca, îndeosebi acumularea lui în rocile de sedimentare şi soluri.

7. Funcţia de chemosinteză. Diferite bacterii chemoautotrofe, prin oxidarea compuşilor minerali, se îmbogăţesc în atomi de oxigen, fapt ce permite populaţiilor acestora să supravieţuiască în cele mai variate şi extremale condiţii (speciale) ale mediului înconjurător, de exemplu în adâncurile (în abisal şi ultraabisal) oceanelor şi mărilor, peşteri, apele interstiţiale etc.

Chemosinteza este forma de nutriţie autotrofă, întâlnită numai la câteva grupe de bacterii chemosintetizante: bacteriile sulfuroase, larg răspândite în natură, care oxidează hidrogenul sulfurat (H2S), ele aparţinând gen. Thiobacillus; bacteriile nitrificatoare, care transformă amoniacul (NH3) în azotiţi şi apoi în azotaţi (de exemplu, reprezentanţii genurilor Nitrosomonas, Nitrosospira, Nitrosococcus); bacteriile oxidează fierul feros în fier feric (de exemplu genurile Ferrobacilus, Galionella, Chrenothrix); bacteriile care oxidează carbonul (de exemplu, gen. Carboxidomonas).

Procesul de chemosinteză are şi el o anumită importanţă în circuitele biogeochimice; bineînţeles că, în comparaţie cu fotosinteza, ponderea chemosintezei în crearea biomasei biosferei este redusă. Până la apariţia biosferei, migraţiile elementelor chimice pe Terra erau dependente numai de proprietăţile fizice ale învelişurilor electronice ale atomilor şi de condiţiile fizico-chimice ale mediului cosmo-teluric.

Baza funcţionării biosferei este determinată de circuitul substanţelor organice, efectuat, fără excepţie, de toate organismele vii. Fiecare specie biologică reprezintă o anumită verigă în lanţul (reţeaua) circuitului biotic. Folosind în calitate de sursă de existenţă corpurile vii, exometaboliţii lor sau/şi produsele descompunerii acestora, o specie restituie (elimină) în mediu substanţe, care pot fi folosite de alte organisme. Un rol deosebit în aceste proces îl joacă microorganismele descompunătoare, care, mineralizând mortmasa, creează „valuta unică"– sărurile minerale şi substanţele organice primare, de exemplu stimulatorii biogeni, care sunt folosiţi din nou de plantele verzi în procesul de fotosinteză şi chemosinteză a noilor substanţe organice.

În cadrul învelişului biogeocenotic al biosferei se disting 2 tipuri de circuite biogeochimice globale: 1. circuitele gazoase – sunt cvasiînchise sau perfecte.2. circuitele sedimentare – deschise sau imperfecte.

Migraţiile biogeochimice cuprind cele mai răspândite elemente chimice în natură: H, C, N, O, P, Cl, K, Ca, V, Mn, Fe, Br. Sunt antrenate în circuit, în mai mică măsură, şi alte elemente: Na, Mg, Al, Si etc. De fapt, în scoarţa terestră practic nu există atomi ai elementelor chimice străini cu totul de migraţia biogeochimică. Nu fac excepţie de la această regulă nici gazele inerte, pământurile rare (lantanidele), elementele radioactive, la fel şi wolframul şi cobaltul.

Circuitul carbonului

Carbonul (C) – reprezintă un element chimic fundamental (material de construcţie), ale cărui proprietăţi fizico-chimice constituie baza formării tuturor moleculelor organice, a proceselor biochimice şi a formelor vitale, determinând în mare parte întreaga diversitate a substanţelor organice. Conţinutul C din substanţa vie constituie circa 45 % (după biomasa uscată). Carbonul acţionează cu alte elemente chimice prin cedarea şi acceptarea de electroni, având astfel un rol energetic esenţial.

Carbonul joacă şi un rol ecologic global deosebit de important: CO2 formează în atmosferă un „ecran" care opreşte radiaţia infraroşie (termică) emisă de suprafaţă Pământului, generând astfel „efectul de seră", fenomen extrem de periculos pentru întreaga biosferă, inclusiv pentru omenire.

În mediul acvatic CO2 asigură constituirea acidului carbonic care, combinându-se cu Ca, formează carbonatul şi bicarbonatul de calciu. Reversibilitatea acestor procese reprezintă mecanismul fizico-chimic principal de tamponare a variaţiilor pH-ului.

Prin biosferă, C este difuzat cu ajutorul fotosintezei clorofiliene, respiraţiei plantelor şi animalelor. În procesul fotosintezei CO2 (captat din atmosferă şi apă) se transformă (împreună cu alte substanţe minerale) în compuşi organici (glucide, proteine şi lipide), care servesc ca hrană pentru animale.

Procesele de asimilaţie ale carbonului şi de restituire a mediului abiotic (al atmosfere şi / sau apei) sunt echilibrate, pentru că respiraţia, fermentaţiile şi combustiile restituie fără încetare CO2. În ultimii ani însă cantitatea acestui gaz, provenită din arderile de combustibil, creşte îngrijorător (anual cu 10%, sau 1 mlrd. t C), astfel accentuând efectul de seră (încălzirea globală).

Fotosinteza şi respiraţia sunt două procese biochimice total complementare. Întreaga cantitate de CO2, asimilată în procesul fotosintezei (ne referim numai la C, oxigenul fiind eliminat în atmosferă), este inclusă în glucide; în procesul de respiraţie toată cantitatea de C, conţinut în substanţele organice sintetizate, se transformă în CO2.

Plantele asimilează anual circa 105•10l5t C, din care, prin respiraţie, 32•1015t se întorc în rezervoarele de CO2. Restul de 73•1015t asigură respiraţia şi producţia animală, bacteriană şi de fungi. Anual, prin substanţa vie circulă 0,25 - 0,3 % de C, ce se conţine în atmosferă şi oceane sub formă de CO2 şi H2CO3. De aici rezultă că întreaga cantitate (fondul) organică activă trece prin circuitul planetar timp de 300 - 400 ani.

Circuitul azotului.

Azotul (N) – ca şi carbonul, este un element chimic biogen foarte important, fiind indispensabil biosintezei substanţelor proteice. Face parte din compoziţia aminoacizilor, care sunt elemente componente ale substanţelor proteice; intră obligatoriu în structura acizilor nucleici, a alcaloizilor etc.

Există 3 surse planetare principale ale acestui element:1. azotul atmosferic (79 % din volum)2. humusul (conţine 20 % de N) şi sedimentele de origine organică sau minerală3. organismele vii.

Din multe puncte de vedere, circuitul N prin ecosistem se deosebeşte de cel al C, de exemplu:a. Majoritatea organismelor vii nu au proprietatea de a fixa N atmosferic;

b. N nu participă nemijlocit la degajarea energiei chimice în procesul de respiraţie; rolul acestui element constând în calitatea lui de „material de construcţie" a proteinelor şi acizilor nucleici;

c. Descompunerea biologică a substanţelor organice ce conţin N trece prin mai multe faze, unele dintre care sunt realizate numai de bacterii strict specializate;

d. Majoritatea transformărilor biochimice ale substanţelor organice ce conţin N au loc în sol, unde accesibilitatea acestui gaz pentru plante este favorizată de solubilitatea sărurilor anorganice.

Conţinutul N în ţesuturile vii principale constituie circa 3% din fondul activ al ecosistemului. Cealaltă parte (majoritatea) a N este dispersată între detritusul şi nitraţii din sol şi ocean; o cantitate mică de N se găseşte sub formă de amoniac, în diferite etape de descompunere a proteinelor.

Plantele asimilează 86•1014 t/an de N, adică circa 1 % din fondul lui activ. De aceea, un ciclu planetar al acestui element cuprinde aproximativ 100 de ani.

Fixarea azotului este realizată de unele microorganisme libere sau simbionte, care folosesc energia provenită din respiraţie pentru utilizarea directă a N şi sinteza proteinelor. Fixatoarele de N pot fi aerobe (bacteriile din gen. Azotobacter), sau anaerobe (Clostridium). Mortmasa acestora, în rezultatul mineralizării, îmbogăţesc solul cu N; pe această cale în sol se acumulează 15 kg N/ha an. Ciupercile şi câteva specii de alge cianoficee transformă azotul în N nitric şi nitros. În procesul de fixare a N participă şi unele metale („de tranziţie"), de exemplu Fe şi Mo. Nu poate fi ignorat rolul N nici în procesul de nitrificare care constă în reducerea acidului azotic în acid azotos, amoniac (NH3) şi N molecular.

Cel mai eficient lucru în sol îl fac bacteriile (Rhisobium phaseoli, R. leguminosarum, Azotobacter etc), care trăiesc în simbioză cu plantele boboase, în nodozităţile de pe rădăcinile scestora (micoriza). Rezervele anuale acumulate astfel în organele vegetale supraterestre şi subterane (de exemplu, lucerna, trifoiul, fasolea, mazărea, salcâmul) constituie de la 150 până la 400 kg/ha.

În mediul acvatic şi palustra, fixarea N este efectuată de unele specii de alge cianoficee, care joacă un rol foarte important, de exemplu, pentru plantaţiile de orez.

Din toate aceste surse (în funcţie de mediu şi sortimentul vegetal şi bacterian), N pătrunde către rădăcinile plantelor în formă de nitraţi care, fiind absorbiţi de către rădăcini şi transmişi în frunze, este utilizat la biosinteza proteinelor. Aceste proteine sunt utilizate ca bază nutritivă a animalelor fitofage, precum şi a bacteriilor parazite.

Cadavrele organismelor reprezintă, împreună cu excrementele (metaboliţii mediului), baza materială a unui întreg lanţ trofic al organismelor descompunătoare de substanţă organică care transformă N din forma organică în cea minerală. Fiecare grup de bioproducători este specializat în cadrul unui anumit segment al procesului de nutriţie, lanţul căruia se încheie cu activitatea bacteriilor fixatoare de amoniu, în final formându-se NH3 care ulterior poate să se includă în ciclul de nitrificare: Nitrosomonas îl oxidează în nitrit, iar Nitrosococcus oxidezează nitriţii în nitraţi. Astfel ciclul poate continua.

Pe de altă parte, bacteriile denitrificatoare elimină permanent N în atmosferă, descompunând nitraţii în N care se volatilizează.

N poate să părăsească ciclul biogeochimic dacă, ajungând în ocean, se acumulează în sedimentele profunde. Trebuie însă să menţionăm că, până acest N va ajunge în sedimentele abisale, o parte din acestea va fi captată de organismele componente ale planctonului oceanic, care, ca şi fosforul, va intra în lanţul de nutriţie a animalelor carnivore, terminându-se cu peştii, care, la rândul lor, servesc ca hrană pentru păsări. Această parte de N este depozitată în formă de excremente ale mamiferelor şi păsărilor, numite guano (din l. spaniolă = gunoi, excremente).

Pierderile de N ce trece în sedimentele abisale se compensează de către N provenit din gazele vulcanice. În afară de aceasta, în funcţie de necesitate, în agricultură se întrebuinţează îngrăşăminte azotoase. În anumite condiţii, fertilizanţii, fiind preluaţi de apele de suprafaţă ce se scurg în lacuri, iazuri, râuri, contribuie la eutrofizarea („înflorirea") acestora.

Circuitul oxigenului.

Rolul oxigenului liber în dezvoltarea şi funcţionarea biosferei este nu numai universal, dar şi contradictoriu. Apariţia vieţii pe Terra şi evoluţia ei ulterioară ar fi fost imposibilă fără dezvoltarea sistemelor de protecţie faţă de oxigenul obişnuit molecular (O2), ozon (O3) şi cel atomar (O). În acelaşi timp, necesităţile energetice ale formelor superioare ale vieţii pot fi satisfăcute numai prin metabolismul de oxidare. De exemplu, în urma oxidării unei molecule-gram de glucoza se degajă 386 kcal, iar la fermentare numai 50.

Oxigenul liber asigură viaţa şi tot acest element reprezintă produsul activităţii vitale. Se presupune că, aproximativ (poate chiar tot) oxigenul atmosferei terestre este de origine biologică. O serie de autori consideră că până la apariţia biosferei atmosfera Terrei era lipsită totalmente de oxigen. Prin apariţia fenomenului de fotosinteză

(acum 3,5 mlrd. de ani), realizat de primele organisme (alge verzi-albastre, cianobacterii) în atmosferă au început să se degaje cantităţi importante de O.

Odată format, O a оnceput să fie utilizat în oxidarea derivaţilor organici produşi prin fotosinteză. Astfel, acest gaz a intrat în diferite combinaţii chimice, dintre care pentru organismele vii mai importante sunt apa (H2O) şi dioxidul de carbon (CO2). O altă parte importantă din oxigenul apărut în rezultatul fotosintezei s-a transformat în ozon (O3), care protejează suprafaţa Pământului de pătrunderea razelor cosmice nocive. Oxigenul are proprietatea de a se combina cu o mare parte din elementele chimice din scoarţa terestră. Rezultatul acestor şi a multor altor procese îl reprezintă interacţiunile evolutive ale învelişului viu, atmosferei, hidrosferei şi litosferei.

Rolul dinamic al oxigenului molecular constă în faptul că, în procesul de oxidare biologică el serveşte în calitate de acceptor de electroni, mai exact, de hidrogen. Acest fenomen are loc în procesul de respiraţie aerobă, când O reacţionează cu H, formându-se H2O.

Reacţia chimică a oxidării este inversă celei de fotosinteză.În final, oxigenul din molecula organică trece în molecula de CO2, iar oxigenul molecular acţionează ca

acceptor al atomilor de hidrogen.Oxigenul (molecular) intră automat în reacţie cu substanţele organice şi cu alte substanţe reduse. Prin

aceasta se explică influenţa toxică a concentraţilor neobişnuit de înalte de oxigen. L. Pasteur a descoperit intoleranţa totală faţă de oxigen a organismelor anaerobe obligate, care nu suportă O într-o concentraţie mai ridicată de 1% din volumul atmosferei actuale. Relativ recent, în celulele fiinţelor superioare au fost descoperite nişte organe speciale, numite peroxisome, care au ca funcţie protecţia celulei de O2; se presupune că peroxisomele sunt sisteme de fermenţi foarte vechi în sensul că acestea au apărut atunci când, la începuturile evoluţiei biosferei, exista necesitatea protejării celulelor vii de oxigenul care pentru prima dată, datorită fotosintezei, a apărut în atmosfera terestră.

Circuitul apei.

Apa este mediul în care a apărut biosfera terestră. Tot în apă viaţa a parcurs o parte însemnată (fără a ieşi pe uscat timp de 3,5-4,0 mlrd. de ani) a evoluţiei ei. Numeroase încrengături de plante şi animale trăiesc şi azi exclusiv în ape, chiar dacă nu în totalitatea taxonilor din care se constituie.

Din punct de vedere fiziologic, mediul intern al fiecărei fiinţe este apos; celulele organismelor trăiesc şi ele în acest mediu, ilustrul fiziolog şi medic francez Cl. Bernard (1813 - 1878) a numit acest mediu apos mediu interior (plasma interstiţială), în care se produc majoritatea schimburilor celulare; totalitatea reacţiilor biochimice ale metabolismului au loc exclusiv în plasma celulară, adică tot în mediu apos. Deci, fără apă nu poate exista nici un fel de manifestare a vieţii.

Apa este cea mai răspândită, mai omniprezentă substanţă din biosferă. În acelaşi timp, ea este poate cea mai neobişnuită combinaţie anorganică, cel puţin din punct de vedere termic. Ne referim la proprietatea termică (anomală) atunci când densitatea şi masa maximă constituie nu în faza ei solidă, cum s-ar putea crede, ci în stare lichidă, la temperatura de 4° C.

Învelişul de apă în formă lichidă şi solidă care există pe/şi sub pământ poartă denumirea de hidrosferă. Organismele vii ce populează mediul acvatic, numite hidrobionţi, sunt prezente în toată grosimea hidrosferei, până la circa 11 000 m adâncime.

Compoziţia chimică a apelor din natură este complexă. Cei mai importanţi compuşi din apele continentale sunt carbonaţii şi bicarbonaţii, care formează combinaţii cu metalele alcaline şi alcalino-feroase, dar şi cu fierul (mai ales în mâluri).

Dintre halogeni, în apele continentale cei mai obişnuiţi sunt Cl, Br şi I (în nămoluri). Clorurile îşi au originea în zăcămintele sedimentare; fiind solubile, ele sunt antrenate spre apele marine, unde constituie principalii anioni (55 % din totalitatea ionilor prezenţi). În apele continentale clorurile reprezintă mai puţin de 0,5 % din totalitatea anionilor. Br şi I se întâlnesc mai frecvent în apele marine şi oceanice.

Bioelementele principale prezente în apele naturale sunt sărurile de N şi P, indispensabile pentru producţia primară a organismelor fotosintetizante.

În funcţie de repartizarea căldurii la suprafaţa Pământului, apa se poate afla în trei stări (faze) fizice: lichidă (dihidrol), gazoasă (monohidrol) şi solidă (trihidrol). De fapt, în natură apa este un amestec, în proporţii diferite, de monohidrol, dihidrol şi trihidrol, cu predominanţă de trihidrol la polii planetei şi de dihidrol şi monohidrol spre ecuator.

Rezervele globale de apă, aflate în aceste trei stări, constituie circa 1350 mln. km3. De regulă, aceste rezerve sunt exprimate prin înălţimea medie a coloanei de apă raportată la o unitate de suprafaţă. Oceanele şi mările (apa lichidă sărată) includ 97 % din toată apa planetei, ceea ce corespunde înălţimii coloanei de apă, egală cu 2700 - 2800 m. Cea mai mare parte a acestei ape este situată în emisfera sudică. Celelalte 3%, cuprind apa în stare solidă, situaţi în calotele glaciare şi gheţarii permanenţi, cu înălţimea medie a colonei de apă 50 m. Un alt

rezervor de apă (dulce) important îl reprezintă apele freatice (15 m) şi cele de suprafaţă (0,5-1 m). Conţinutul de aburi apoşi din atmosferă constituie în medie 0,03 m; sigur că această cantitate de apă este extrem de mică, însă importanţa ei climaterică este enormă.

La nivel planetar, apa (hidrosfera) reprezintă una din geosferele Pământului, care practic este ocupată în totalitate de fiinţele vii. Ea cuprinde circa 71 % din suprafaţa Terrei (egală cu 510 mln. km2).

Există 3 căi planetare de mişcare (circulaţie) a apei:1. circulaţia globală propriu-zisă.2. curenţii maritimi.3. scurgerea râurilor.

Circulaţia globală cuprinde: evaporarea apei de pe suprafaţa uscatului şi a Oceanului Planetar şi precipitaţiile atmosferice. Pentru a evalua balanţa evaporării şi precipitaţiilor este necesar să cunoaştem 3 şiruri de cifre: a) pentru întreaga planetă; b) pentru oceane şi c) pentru uscat. La nivel planetar, evaporarea apei şi precipitaţiile se nivelează reciproc, ele fiind, de regulă, egale (520 000 km3/an). De aici şi constanta ciclului hidrologic global prin care s-a calculat că evaporarea constituie 100 cm/an, iar precipitaţiile sunt exprimate aproximativ prin aceeaşi cifră. Cantitatea de precipitaţii căzute deasupra Oceanului Planetar constituie 107-114 cm/an, evaporarea atingând cifrele de 116-124 cm/an. Balanţa este asigurată de curgerea (aportul) râurilor şi fluviilor, care anual constituie în medie 10 cm. Pe suprafaţa uscatului anual cad aproximativ (media) 71 cm, în timp ce evaporarea de pe aceeaşi suprafaţă constituie 42 cm/an. Fluviile aduc în Ocean circa 27 cm/an. Deci balanţa este aproape perfectă.

Celelalte 2 căi - curenţii marini şi scurgerile fluviilor - au şi ele, ca şi circulaţia globală, o mare importanţă pentru biosferă.

Curenţii marini transportă apa caldă şi apa rece la mari distanţe, realizând metabolismul energetic planetar. E bine cunoscut faptul că anume datorită influenţei curenţilor oceanici se produce contrastul dintre litoralul de Est şi cel de Vest al Oceanului Atlantic, de la 50 până la 55° L. N. Fără Golfstrim, doar cu curentul Labrador partea de nord-vest a Europei ar fi avut o cu totul altă climă, mult mai dură.

Curenţii oceanici determină în mare măsură structura dinamică spaţială a hidrobiosferei. Cu ajutorul metodelor de teledetecţie (aparatele de zbor, inclusiv navele cosmice), sunt stabilite exact direcţiile de deplasare în spaţiu a peştilor, balenelor, planctonului etc.

Curgerea fluviilor şi a râurilor asigură transportarea, la distanţe mari, nu numai a apei dar şi a materiei suspendate şi, desigur, a celei dizolvate în apă. Apa este un factor (agent) provocator de eroziuni deosebit de puternic. Spălarea, transportul şi precipitarea materiei (substanţelor organice şi anorganice, inclusiv a substanţei vii) constituie procese geologice importante, legate nemijlocit de curenţii acvatici.

Datorită acestor procese, pe parcursul istoriei geologice, s-au format, de exemplu, solurile şi pământurile agricole, precum şi sedimentele (depunerile) de mâl.

Analizând particularităţile marelui ciclu (planetar) al apei, vom constata că substanţa vie joacă un rol secundar. În context landşaftic (biogeocenotic) însă, vegetaţia terestră joacă un rol deosebit de important, contribuind esenţial la anumite faze ale circuitului hidrologic.

Precipitaţiile ce cad pe suprafaţa uscatului, acoperită cu vegetaţie, parţial sunt captate de suprafaţa foliară, ca apoi să se evaporeze în atmosferă. Apa ce pătrunde la suprafaţa solului sau aderă la scurgerea de suprafaţă, sau este absorbită de sol. În funcţie de proprietăţile fizice şi conţinutul de humus, funcţionează capacitatea câmpului (cantitatea maximă de apă indisolubil legată de particulele de sol). Atunci când conţinutul de apă întrece această capacitate (se mai numeşte şi capacitatea de absorbţie), surplusul se va infiltra mai adânc în sol, spre apele freatice. Infiltraţia precipitaţiilor în apele freatice depinde de starea fizico-chimică a solului, de structura rocii-mamă şi de particularităţile învelişului vegetal.

De obicei, atunci când cantitatea de precipitaţii atmosferice este mai mare decât capacitatea câmpului, se produce fenomenul numit scurgerea de suprafaţă, viteza căreia depinde de starea solului, de unghiul pantei, de durata precipitaţiilor şi de structura învelişului vegetal, înveliş care poate proteja de eroziune stratul fertil al solului.

Apa care se acumulează în sol parţial se evaporă, iar restul este absorbită de rădăcinile plantelor şi transferată în frunze de pe care apoi se evaporă în atmosferă.

În funcţie de starea fizico-chimică a stratului edafic, densitatea învelişului vegetal şi diversitatea specifică a acestuia, raportul dintre cantitatea de apă transpirată (de învelişul foliar) şi cantitatea de apă evaporată de pe suprafaţa solului poate varia considerabil.

Transpiraţia (eliminarea apei) joacă un rol deosebit în viaţa plantelor. Intensitatea acestui proces fiziologic complex depinde de mai mulţi factori mezologici: de temperatura şi umiditatea atmosferei şi a solului, de puterea vântului, de anumiţi factori biotici (structuri biocenotică, specia dată, starea ei fiziologică) etc. Bunăoară, când umiditatea atmosferică este mare transpiraţia este mai mică, iar plantele absorb umezeala din aer.

S-a estimat că întreg оnvelişul verde al Terrei transpiră (restituie atmosferei) circa 30 000 la apă/an, ceea ce constituie 27-30% din volumul de precipitaţii ce cad pe suprafaţa uscatului.