Кругообіг речовин у біосфері - циклічний, багаторазово повторюваний процес спільного, взаємопов'язаного перетворення та переміщення речовин. Наявність кругообігу речовин є необхідною умовоюіснування біосфери. Після використання одними організмами речовини повинні переходити у доступну інших організмів форму. Такий перехід речовин від однієї ланки до іншої потребує енергетичних витрат, тому можливий лише за участю енергії Сонця. З використанням сонячної енергії на планеті протікають два взаємопов'язані кругообіг речовин: великий - геологічний і малий - біологічний (біотичний).
Геологічний кругообіг речовин— процес міграції речовин, який здійснюється під впливом абіотичних факторів: вивітрювання, ерозії, руху вод тощо. буд. Живі організми участі у ньому не беруть.
З появою на планеті живої речовини з'явився біологічний (біотичний) кругообіг. У ньому беруть участь усі живі організми, що поглинають із навколишнього середовища одні речовини та виділяють інші. Наприклад, рослини в процесі життєдіяльності споживають із навколишнього середовища вуглекислий газ, воду, мінеральні речовинита виділяють кисень. Тварини використовують виділений рослинами кисень для дихання. Вони поїдають рослини і в результаті травлення засвоюють фотосинтезу, що утворилися в процесі органічні речовини. Виділяють вуглекислий газ та неперетравлені залишки їжі. Після відмирання рослини та тварини утворюють масу мертвої органічної речовини (детрит). Детрит доступний для розкладання (мінералізації) мікроскопічними грибами та бактеріями. Внаслідок їх життєдіяльності в біосферу надходить додаткова кількість Вуглекислий газ. А органічні речовини перетворюються на вихідні неорганічні компоненти - біогени. Мінеральні сполуки, що утворилися, потрапляючи у водойми і ґрунт, знову стають доступними рослинам для фіксації за допомогою фотосинтезу. Такий процес повторюється нескінченно і має замкнутий характер (кругообіг). Наприклад, весь атмосферний кисень проходить цим шляхом приблизно за 2 тис. років, а вуглекислому газу для цього потрібно близько 300 років.
Енергія, укладена в органічних речовинах, у міру переміщення у харчових ланцюгах зменшується. Більшість її розсіюється у навколишньому середовищі як тепла чи витрачається підтримки процесів життєдіяльності організмів. Наприклад, на дихання тварин та рослин, транспорт речовин у рослин, а також на процеси біосинтезу живих організмів. До того ж біогени, що утворилися в результаті діяльності редуцентів, не містять доступної для організмів енергії. У даному випадкуможна говорити лише про потік енергії в біосфері, але не про кругообіг. Тому умовою стійкого існування біосфери є кругообіг речовин, що постійно протікає в біогеоценозах, і потік енергії.
Геологічний та біологічний круговороти у сукупності формують загальний біогеохімічний кругообіг речовин, основу якого складають цикли азоту, води, вуглецю та кисню.
Кругообіг азоту
Азот - один із найпоширеніших елементів у біосфері. Основна частина біосферного азоту знаходиться в атмосфері у газоподібній формі. Як відомо з курсу хімії, хімічні зв'язки між атомами молекулярного азоту (N 2) дуже міцні. Тому більшість живих організмів не здатні використовувати його безпосередньо. Звідси важливим етапом у кругообігу азоту є його фіксація та переведення в доступну для організмів форму. Розрізняють три шляхи фіксації азоту.
Атмосферна фіксація. Під впливом атмосферних електричних розрядів (блискавок) азот може взаємодіяти з киснем з утворенням оксиду (NO) та діоксиду (NO 2) азоту. Оксид азоту (NO) при цьому дуже швидко окислюється киснем і перетворюється на діоксид азоту. Діоксид азоту розчиняється в парах води та у вигляді азотистої (HNO 2) та азотної (HNO 3) кислот з опадами потрапляє в ґрунт. У ґрунті в результаті дисоціації цих кислот утворюються нітрит-(NO 2 –) та нітрат-іони (NO 3 –). Нітрит-і нітрат-іони вже можуть поглинатися рослинами і включатися в біологічний кругообіг. Перед атмосферної фіксації азоту припадає близько 10 млн т азоту на рік, що становить близько 3 % щорічної азотфиксации в біосфері.
Біологічна фіксація. Вона здійснюється азотфіксуючими бактеріями, які переводять азот у доступні для рослин форми. Завдяки мікроорганізмам зв'язується близько половини всього азоту. Найбільш відомі бактерії, що фіксують азот у бульбах бобових рослин. Вони постачають рослинам азот у вигляді аміаку (NH3). Аміак добре розчинний у воді з утворенням іону амонію (NH 4+), який і засвоюється рослинами. Тому бобові — найкращі попередники культурних рослин у сівозміні. Після відмирання тварин і рослин та розкладання їх залишків ґрунт збагачується органічними та мінеральними сполуками азоту. Далі гнильні (амоніфікуючі) бактерії розщеплюють азотовмісні речовини (білки, сечовину, нуклеїнові кислоти) рослин і тварин до аміаку. Цей процес називається амоніфікацією. Більшість аміаку згодом піддається окисленню нітрифікуючими бактеріями до нітритів і нітратів, які знову використовуються рослинами. Повернення азоту в атмосферу відбувається шляхом денітрифікації, яку здійснює група денітрифікуючих бактерій. Внаслідок цього відбувається відновлення азотистих сполук до молекулярного азоту. Частина азоту в нітратній та амонійній формах з поверхневим стоком потрапляє у водні екосистеми. Тут азот засвоюється водними організмамиабо надходить у донні органічні відкладення.
Промислова фіксація. Велика кількість азоту щорічно зв'язується промисловим шляхом під час виробництва мінеральних азотних добрив. Азот із таких добрив засвоюється рослинами в амонійній та нітратній формах. Обсяг азотних добрив, що випускаються в Білорусі, в даний час становить близько 900 тис. т на рік. Найбільшим виробником є ВАТ "ГродноАзот". На цьому підприємстві випускають карбамід, аміачну селітру, сульфат амонію та інші азотні добрива.
Приблизно 1/10 штучно внесеного азоту використовують рослинами. Решта з поверхневим стоком та ґрунтовими водами переходить у водні екосистеми. Це призводить до накопичення у воді великих кількостей сполук азоту, доступних засвоєння фітопланктоном. В результаті можливе бурхливе розмноження водоростей (евтрофікація) та, як наслідок, замори у водних екосистемах.
Кругообіг води
Вода – основний компонент біосфери. Вона є середовищем для розчинення практично всіх елементів під час здійснення круговороту. Більшість біосферної води представлена рідкою водою і водою вічних льодів (понад 99% всіх запасів води в біосфері). Незначна частина води знаходиться в газоподібному стані – це атмосферні водяні пари. Біосферний кругообіг води ґрунтується на тому, що її випаровування з поверхні Землі компенсується випаданням опадів. Потрапляючи на поверхню суші у вигляді опадів, вода сприяє руйнуванню гірських порід. Це робить їх мінерали доступними для живих організмів. Саме випаровування води з поверхні планети обумовлює її геологічний кругообіг. На нього витрачається близько половини сонячної енергії, що падає. Випаровування води з поверхні морів та океанів відбувається з більшою швидкістю, ніж повернення її з опадами. Ця різниця компенсується за рахунок поверхневого та глибинного стоків завдяки тому, що на континентах опади переважають над випаровуванням.
Збільшення інтенсивності випаровування води на суші багато в чому зумовлено життєдіяльністю рослин. Рослини витягають воду з ґрунту та активно транспірують її в атмосферу. Частина води у клітинах рослин розщеплюється у процесі фотосинтезу. При цьому водень фіксується у вигляді органічних сполук, А кисень виділяється в атмосферу.
Тварини використовують воду для підтримки осмотичної та сольової рівноваги в організмі та виділяють її у зовнішнє середовище разом із продуктами обміну речовин.
Кругообіг вуглецю
Вуглець як хімічний елементє в атмосфері у складі вуглекислого газу. Це і зумовлює обов'язкову участь живих організмів у кругообігу цього елемента на планеті Земля. Основний шлях, яким вуглець з неорганічних сполукпереходить до складу органічних речовин, де є обов'язковим хімічним елементом, — це процес фотосинтезу. Частина вуглецю виділяється в атмосферу у складі вуглекислого газу при диханні живих організмів та при розкладанні бактеріями мертвої органічної речовини. Засвоєний рослинами вуглець споживається тваринами. Крім того, коралові поліпи, молюски використовують сполуки вуглецю для побудови скелетних утворень та раковин. Після їхнього відмирання та осідання на дні формуються відкладення вапняків. Таким чином, вуглець може виключатися з кругообігу. Виведення вуглецю з кругообігу на тривалий термін досягається шляхом формування корисних копалин: кам'яного вугілля, нафти, торфу.
Протягом існування нашої планети виведений з кругообігу вуглець компенсувався вуглекислим газом, що надходить в атмосферу при вулканічних виверженняхта в ході інших природних процесів. В даний час до природних процесів поповнення вуглецю в атмосфері додалося значне. антропогенний вплив. Наприклад, при спалюванні вуглеводневого палива. Це порушує відрегульований століттями кругообіг вуглецю Землі.
Збільшення концентрації вуглекислого газу протягом століття лише на 0,01 % призвело до помітного прояву парникового ефекту. Середньорічна температура на планеті підвищилася на 0,5 ° С, а рівень Світового океану піднявся майже на 15 см. За прогнозами вчених, якщо середньорічна температура збільшиться ще на 3-4 ° С, почнеться танення вічних льодів. При цьому рівень Світового океану підніметься на 50-60 см, що спричинить затоплення значної частини суші. Це розцінюється як глобальна екологічна катастрофаадже на цих територіях проживає близько 40 % населення Землі.
Кругообіг кисню
У функціонуванні біосфери кисень відіграє винятково важливу роль у процесах обміну речовин та диханні живих організмів. Зменшення кількості кисню в атмосфері внаслідок процесів дихання, спалювання палива та гниття компенсується киснем, що виділяється рослинами при фотосинтезі.
Кисень утворювався в первинній атмосфері Землі при її охолодженні. Через свою високу реакційну здатність він переходив з газоподібного стану до складу різних неорганічних сполук (карбонатів, сульфатів, оксидів заліза та ін.). Сьогоднішня кисневмісна атмосфера планети утворилася виключно за рахунок фотосинтезу, що здійснюється живими організмами. Вміст кисню в атмосфері підвищувався до теперішніх значень протягом тривалого часу. Підтримка його кількості на постійному рівні нині можлива лише завдяки фотосинтезуючим організмам.
На жаль, в останні десятиліття діяльність людини, яка веде до вирубування лісів, ерозії ґрунтів, знижує інтенсивність фотосинтезу. А це, у свою чергу, порушує природний перебіг круговороту кисню на значних територіях Землі.
Невелика частина кисню атмосфери бере участь у процесах утворення та руйнування озонового екрану при дії ультрафіолетового випромінювання Сонця.
Основою біогенного кругообігу речовин є сонячна енергія. Головною умовою стійкого існування біосфери є кругообіг речовин, що постійно протікає в біогеоценозах, і потік енергії. У кругообігах азоту, вуглецю та кисню основна роль належить живим організмам. Основу ж глобального кругообігу води у біосфері забезпечують фізичні процеси.
Кругообіг та біогеохімічні цикли речовин
Поясніть сенс геологічного кругообігу на прикладі кругообігу води.
Як відбувається біологічний кругообіг?
У чому полягає закон біогенної міграції атомів В.І. Вернадського?
Що таке резервний та обмінний фонди природного круговороту? У чому різниця між ними?
Земля як живий суперорганізм
* Щоб біосфера могла існувати і розвиватися, на Землі постійно повинен відбуватися кругообіг біологічно важливих речовин, тобто після використання вони повинні знову переходити в форму, що засвоюється для інших організмів. Цей перехід біологічно важливих речовин може здійснюватися тільки за певних витрат енергії, джерелом якої є Сонце.
Вчений В. Р. Вільямс вважає, що сонячна енергія забезпечує на Землі два круговороти речовин.геологічний , або великий, кругообіг ібіологічний , малий, кругообіг.
Геологічний до руговорот найбільш чітко проявляється у кругообігу води. На Землю від Сонця щорічно надходить 5,24 ґ1024 Дж випромінюваної енергії. Близько половини її витрачається на випаровування води. При цьому з океану випаровується більше води, ніж повертається з опадами. На суші, навпаки, більше випадає опадів, ніж випаровується вода. Надлишки її стікають у річки та озера, а звідти - знову в океан (переносячи при цьому певну кількість мінеральних сполук). Це й обумовлює великий кругообіг у біосфері, заснований на тому, що сумарне випаровування води із Землі компенсується випаданням опадів.
** З появою живої речовини на основі геологічного круговороту виник кругообіг органічного вщества, біологічний (малий) кругообіг.
Кругообіг води як приклад геологічного круговороту
(за Х. Пенменом)
З розвитком живої матерії з геологічного круговороту постійно витягується дедалі більше елементів, які входять у новий, біологічний кругообіг. На відміну від простого перенесення мінеральних речовин у великому кругообігу, як у вигляді розчинів, так і у вигляді механічних опадів, у малому кругообігу найважливішими моментами є синтез та руйнування органічних сполук. На противагу геологічному, біологічний кругообіг має нікчемну енергію. На створення органічної речовини, як відомо, витрачається всього 0,1-0,2% всієї сонячної енергії, що надходить на Землю (на геологічний кругообіг - до 50%). Незважаючи на це, енергія, залучена до біологічного кругообігу, робить велику роботу зі створення первинної продукції.
Біологічний кругообіг
З появою на Землі живої матерії хімічні елементи безперервно циркулюють у біосфері, переходячи із зовнішнього середовища
в організми та знову у зовнішнє середовище. Така циркуляція речовин більш-менш замкнутими шляхами називаєтьсябіогеохімічним циклом.
Основними біогеохімічними циклами є кругообіги кисню, вуглецю, води, азоту, фосфору, сірки та інших біогенних елементів.
*** Біогенна міграція речовини - Одна з форм загальної міграції елементів у природі. Під біогенною геохімічною міграцією слід розуміти міграцію органічної та відсталої речовини, що бере участь у зростанні та розвитку живих організмів і виробленого останніми внаслідок складних біохімічних та біогеохімічних процесів. В.І. Вернадський сформулювавзакон біогенної міграції атомів у наступному вигляді:
Міграція хімічних елементів у біосфері здійснюється або за безпосередньою участю живої речовини (біогенна міграція), або ж протікає в середовищі, геохімічні особливості якого (О2, СО2, Н2 і т. д.) обумовлені живою речовиною (тим, що населяє біосферу в даний час , і тим, що діяло Землі протягом всієї геологічної історії).
Людина впливає передусім на біосферу та її живе населення, тому він цим змінює умови біогенної міграції атомів, створюючи передумови для глибоких хімічних змін. Таким чином, процес може стати саморозвивається, не залежить від бажання людини, і при глобальному масштабі практично некерованим.
З погляду планетарного круговороту речовини, найважливішим є ґрунтово-ландшафтний, гідросферний та глибинний (внутрішньоземний) цикли. У першому з них здійснюється вилучення хімічних елементів з гірських порід, води, повітря, розкладання органічної речовини, поглинання та синтез різних органічних та органо-мінеральних сполук. У гідросферному циклі головну рольвідіграють склад води та біологічна активність живих організмів. Біопродукування речовини тут здійснюється за панівної участі фітої зоопланктону. У глибинному циклі біогенної міграції найважливіша роль належить діяльності анаеробних мікроорганізмів.
****Процеси, що відбуваються в різних оболонках Землі, знаходяться в стані динамічної рівноваги, і зміна ходу будь-якого з них спричиняє нескінченні ланцюжки часом незворотних явищ. У кожному природному кругообігу доцільно розрізняти дві частини, або два "фонди":
резервний фонд- велика маса речовин, що повільно рухаються, в основному неорганічної природи;
рухливий, або обмінний фонд- менший, але активніший, котрим характерний швидкий обмін між організмами і довкіллям.
Обмінний фонд утворюється за рахунок речовин, які повертаються в кругообіг або за рахунок первинної екскреції (від латів. excretum - виділене) тваринами, або при розкладі детриту мікроорганізмами.
Якщо мати на увазі біосферу в цілому, то біогеохімічні цикли можна поділити на два основні типи:
кругообіг газоподібних речовин з резервним фондом в атмосфері або гідросфері;
осадовий цикл із резервним фондом у земній корі.
^ БІОЛОГІЧНИЙ КРУГОВОРОТ РЕЧОВИН У ПРИРОДІ
Загальне поняття про біологічний кругообіг речовин
Біологічний кругообіг речовин як форма розвитку планети Земля
Елементи біогеохімічного круговороту речовин у природі
Параметри біогеохімічного кругообігу на суші
Біологічний кругообіг та ґрунтоутворення
^ ЗАГАЛЬНЕ ПОНЯТТЯ
Біологічний кругообіг речовин являє собою сукупність процесів надходження хімічних елементів з ґрунту та атмосфери в живі організми, біохімічного синтезу нових складних сполук та повернення елементів у ґрунт та атмосферу із щорічним спадом частини органічної речовини. Біологічний кругообіг речовин не є повністю компенсованим замкнутим циклом, тому в ході його ґрунт збагачується гумусом та азотом, елементами мінерального живлення (так званими біогенними елементами), що створює сприятливу основу для існування рослинних організмів.
Біологічне, біохімічне та геохімічне значення процесів, що здійснюються в біологічному кругообігу речовин, вперше показав В. В. Докучаєв, створивши вчення про зони природи. Далі воно було розкрито в працях В. І. Вернадського, Б. Б. Полинова, Д. Н. Прянішнікова, В. Н. Сукачова, Н. П. Ремезова, Л. Є. Батьківщина, Н. І. Базилевич, Ст. А. Ковди та інших дослідників.
Міжнародний союз біологічних наук(International Union of Biological Sciences) здійснив широку програму досліджень біологічної продуктивності біогеоценозів суші та водойм. Для керівництва цими дослідженнями було створено Міжнародну біологічну програму (International Biological Programme). З метою уніфікації термінів і понять з Міжнародної Біопрограми, що застосовуються в сучасній літературі, було проведено певна робота. Перш ніж ми приступимо до вивчення природних біологічних кругообігів речовин, необхідно дати пояснення до термінів, що найчастіше вживаються.
Біомаса -маса живої речовини, накопичена до даному моментучасу.
^ Біомаса рослин (Синонім - фітомаса) - маса живих і відмерлих, але зберегли свою анатомічну будову на даний момент організмів рослинних угруповань на будь-якій площі.
^ Структура біомаси співвідношення підземної та надземної частин рослин, а також однорічних та багаторічних, фотосинтезуючих та нефотосинтезуючих частин рослин.
Дрігач -відмерлі частини рослин, що зберегли механічний зв'язок з рослиною.
^ Опад -кількість органічної речовини рослин, що відмерли в надземних та підземних частинах на одиниці площі за одиницю часу.
Підстилка -маса багаторічних відкладень рослинних решток різного ступенямінералізації.
Приріст -маса організму чи угруповання організмів, накопичена на одиниці площі за одиницю часу.
^ Справжній приріст - відношення величини приросту до величини опаду за одиницю часу на одиниці площі.
Первинна продукція -маса живої речовини, що створюється автотрофами (зеленими рослинами) на одиниці площі за одиницю часу.
^ Вторинна продукція - маса органічної речовини, що створюється гетеротрофами на одиниці площі за одиницю часу.
Місткість біологічного круговороту.кількість хімічних елементів, що у складі маси зрілого біоценозу (фітоценозу).
Інтенсивність біологічного круговороту - кількість хімічних елементів, що містяться у прирості фітоценозу на одиниці площі в одиницю часу.
Швидкість біологічного кругообігу - проміжок часу, протягом якого елемент проходить шлях від поглинання його живою речовиною до виходу зі складу живої речовини. Визначають за допомогою мічених атомів.
По Л. Є. Батьківщину, М. І. Базилевич (1965), повний цикл біологічного круговороту елементів складається з наступних складових.
Поглинання асимілюючою поверхнею рослин з атмосфери вуглецю, а кореневими системами з ґрунту - азоту, зольних елементів та води, закріплення їх у тілах рослинних організмів, надходження у ґрунт з відмерлими рослинами або їх частинами, розкладання опаду та вивільнення ув'язнених у них елементів.
Відчуження частин рослин тваринами, що живляться ними, перетворення їх у тілах тварин на нові органічні сполуки і закріплення частини з них у тварин організмах, наступне надходження їх у ґрунт з екскрементами тварин або з їх трупами, розкладання і тих та інших і вивільнення укладених у них елементів.
Газообмін між асимілюючою поверхнею рослин та атмосферою, між кореневою системою та ґрунтовим повітрям.
Прижиттєві виділення надземними органами рослин і особливо кореневими системами деяких елементів у грунт.
^ БІОЛОГІЧНИЙ КРУГОВОРОТ РЕЧОВИН ЯК ФОРМА РОЗВИТКУ ПЛАНЕТИ ЗЕМЛЯ
Структура біосфери у найзагальнішому вигляді є двома найбільшими природного комплексу першого рангу -континентальний та океанічний. Рослини, тварини та ґрунтовий покрив утворюють на суші складну світову екологічну систему. Зв'язуючи та перерозподіляючи сонячну енергію, вуглець атмосфери, вологу, кисень, водень, азот, фосфор, сірку, кальцій та інші біофільні елементи, ця система формує біомасу та генерує вільний кисень.
Водні рослини та океан утворюють іншу світову екологічну систему, що виконує на планеті ті ж самі функції зв'язування сонячної енергії, вуглецю, азоту, фосфору та інших біофілів шляхом утворення фітобіомаси, вивільнення кисню в атмосферу.
Існує три форми накопичення та перерозподілу космічної енергії у біосфері. ^ Суть першоюз них у тому, що рослинні організми, а через харчові ланцюги та пов'язані з ними тварини та бактерії залучають до своїх тканин багато сполук. Ці сполуки містять Н 2 , О 2 , N, P, S, Са, К, Mg, Si, Al, Mn та інші біофіли, багато мікроелементів (I, Co, Cu, Zn і т.д.). У цьому відбувається селекція легких ізотопів (З, Н, Про, N, S) від тяжких. Прижиттєво та посмертно організми суші, водного та повітряного середовища, перебуваючи у стані безперервного обміну з навколишнім середовищем, сприймають та віддають широкий та різноманітний спектр мінеральних та органічних сполук. Сумарна маса та обсяг продуктів прижиттєвого обміну організмів та середовища (метаболітів) перевищують біомасу живої речовини у кілька разів.
^ Друга форманакопичення, утримання та перерозподілу космічної енергії Сонця на планеті в її біосфері проявляється через нагрівання водних мас, утворення та конденсацію парів, випадання атмосферних опадів та рух поверхневих та ґрунтових вод по ухилу від областей живлення до областей випаровування. Нерівномірне нагрівання повітря та води викликає планетарні переміщення водних і повітряних мас, формування градієнтів щільності та тиску, океанічні течії та грандіозні процеси атмосферної циркуляції
Ерозія, хімічна денудація, транспорт, перерозподіл, осадження та накопичення механічних та хімічних опадів на суші та в океані є третьою формою передачі та перетворення цієї енергії.
Всі ці три планетарні процеси тісно переплітаються; утворюючи загальноземний кругообіг і систему локальних кругообігів речовини. Таким чином, за мільярди років біологічної історії планети склалися великий біогеохімічний кругообіг та диференціація хімічних елементів у природі. Вони створили сучасну біосферу та є основою її нормального функціонування.
^ ЕЛЕМЕНТИ БІОГЕОХІМІЧНОГО КРУГОВОРОТУ РЕЧОВИН У ПРИРОДІ
Елементами біогеохімічного кругообігу речовин є такі складові.
Регулярно повторювані чи безперервно поточні процеси припливу енергії, утворення та синтез нових сполук.
Постійні або періодичні процеси перенесення або перерозподілу енергії та процеси винесення та спрямованого переміщення синтезованих сполук під впливом фізичних, хімічних та біологічних агентів.
Спрямовані ритмічні чи періодичні процеси послідовного перетворення: розкладання, деструкції синтезованих раніше сполук під впливом біогенних чи абіогенних впливів середовища.
У природі протікають як біологічні цикли речовин, і абиогенные цикли.
^ Біологічні цикли - обумовлені у всіх ланкахжиттєдіяльністю організмів (харчування, харчові зв'язки, розмноження, зростання, пересування метаболітів, смерть, розкладання, мінералізація).
^ Абіогенні цикли - склалися на планеті набагато раніше за біогенні. Вони включають весь комплекс геологічних, геохімічних, гідрологічних, атмосферних процесів.
У добіогенний період планети в геологічних, гідрологічних, геохімічних, атмосферних кругообігах визначальна роль належала водній та повітряній міграції та акумуляції. В умовах розвиненої біосфери кругообіг речовин спрямовується спільною дією біологічних, геологічних та геохімічних факторів. Співвідношення між ними може бути різним, але дія обов'язково сумісна! Саме в цьому сенсі вживаються терміни – біогеохімічний кругообіг речовин, біогеохімічні цикли.
Непорушені біогеохімічні цикли мають майже круговий, майже замкнутий характер. Ступінь відтворення циклів, що повторюється, в природі дуже велика і, ймовірно, як вважає В. А. Ковда, досягає 90- 98%. Тим самим підтримується відома сталість та рівновага складу, кількості та концентрації компонентів, залучених у кругообіг, а також генетична та фізіологічна пристосованість та гармонійність організмів та навколишнього середовища. Але неповна замкнутість біогеохімічних циклів у геологічному часі призводить до міграції та диференціації елементів та їх сполук у просторі та в різних середовищах, до концентрування чи розсіювання елементів. Саме тому ми спостерігаємо біогенне накопичення азоту та кисню в атмосфері, біогенне та хемогенне накопичення сполук вуглецю в земній корі (нафта, вугілля, вапняки).
^ ПАРАМЕТРИ БІОГЕОХІМІЧНОГО КРУГОВОРОТУ НА СУШІ
Обов'язковими параметрами вивчення біогеохімічних циклів у природі є такі показники.
Біомаса та її фактичний приріст (фіто-, зоо-, мікробна маса окремо).
Органічний опад (кількість, склад).
Органічна речовина грунту (гумус, органічні залишки, що не розклалися).
Елементний речовий склад ґрунтів, вод, повітря, опадів, фракцій біомаси.
Наземні та підземні запаси біогенної енергії.
Прижиттєві метаболіти.
Число видів, чисельність, склад.
Тривалість життя видів, динаміка та ритміка життя популяцій та ґрунтів.
Еколого-метеорологічна обстановка середовища: тло та оцінка втручання людини.
Охоплення точками спостережень вододілу, схилів, терас, долин річок, озер.
Кількість забруднювачів, їх хімічні, фізичні, біологічні властивості(особливо СО, 2 , SO 2 , Р, NO 3 , NH 3 Hg, Pb, Cd, H 2 S, вуглеводні).
1. Вміст зольних речовин, вуглецю та азоту в біомасі (надземній, підземній, фіто-, зоо-, мікробній). Зміст цих елементів може бути виражений у % або г/м 2 , т/га поверхні. Головними складовими елементами живої речовини за масою є (65-70%) і Н (10%). На всі інші припадає 30-35%: С, N, Са (1-10%); S, Р, До, Si (0,1-1%); Fe, Na, Cl, Al, Mg (0,01-0,1%).
Хімічний склад фітомаси сильно варіює. Особливо різний склад фітомаси хвойних та листяних лісів, трав'янистої рослинності та галофітів (табл.13).
Таблиця 13 - Мінеральний склад різних групрослин суші
| Тип рослинності | Зольність, % | Річний оборот мінеральних Компонентів, кг/га | Переважаючі компоненти |
| Хвойні ліси | 3-7 | 100-300 | Si, Са, Р, Мg, До |
| Листяні ліси | 5-10 | 460-850 | Са, К, Р, Al, Si |
| Тропічні ліси | 3-4 | 1000-2000 | Са, К, Мg, Al |
| Луги, степи | 5-7 | 800-1200 | Si, Са, К, S, Р |
| Галофітні спільноти | 20-45 | 500-1000 | Cl, SO 4 Na, Мg, До |
Індивідуальна значимість тієї чи іншої хімічного елемента оцінюється коефіцієнтом біологічного поглинання (КБП). Розраховують його за формулою:
У 1966 році В. А. Ковда запропонував використовувати для характеристики середньої тривалості загального циклу вуглецю відношення врахованої фітобіомаси до річного фотосинтетичного приросту фітомаси. Цей коефіцієнт характеризує середню тривалість загального циклу синтезу - мінералізації біомаси у цій місцевості (чи суші загалом). Розрахунки показали, що з суші загалом цей цикл укладається період 300-400 і трохи більше 1000 років. Відповідно до цієї середньої швидкості йде звільнення мінеральних сполук, пов'язаних у біомасі, утворення та мінералізація гумусу в ґрунті.
Для загальної оцінки біогеохімічного значення мінеральних компонентів живої речовини біосфери В. А. Ковда запропонував зіставляти запас мінеральних речовин біомаси, кількість мінеральних речовин, які щорічно залучаються в обіг з приростом та опадом, з річним хімічним стоком річок. Виявилося, що ці величини близькі: 10 8-9 зольних речовин втягується в приріст і опад і 10 9 - річний хімічний стік річок.
Індекс БГХК = S б/S Х,
Де S б - сума елементів (або кількість одного елемента) у річному прирості біомаси; S x - сума цих елементів (або одного елемента), що виносяться водами річок даного басейну (або частини басейну).
Виявилося, що індекси біогеохімічного круговороту дуже сильно варіюють у різних кліматичних умовах, під покривом різних рослинних угруповань, за різних умов природного дренажу.
4. М. І. Базилевич, Л. Є. Родін (1964) запропонували розраховувати коефіцієнт, що характеризує інтенсивність розкладання опаду та тривалість збереження підстилки в умовах даного біогеоценозу:
За даними М. І. Базилевич та Л. Є. Батьківщина, індекси інтенсивності розкладання фітомаси найбільші в тундрі та болотах півночі, найменші (приблизно рівні 1) – у степах та напівпустелях.
5. Б. Б. Полинов (1936) запропонував розраховувати індекс водної міграції:
ІВМ = Х Н2О / Х зк,
Де ІВМ – індекс водної міграції; Х Н2О - кількість елемента в мінеральному залишку випареної річкової чи ґрунтової води; X зк - зміст цього елемента в земної корі чи породі.
Розрахунок індексів водної міграції показав, що найбільш рухливі мігранти в біосфері - Cl, S, B, Вr, I, Са, Na, Mg, F, Sr, Zn, U, Mo. Найбільш пасивні у цьому відношенні - Si, К, Р, Ва, Mn, Rb, Cu, Ni, Co, As, Li, Al, Fe.
^ БІОЛОГІЧНИЙ КРУГОВОРІТ І ҐРУНТОВАННЯ
Дані геології та палеоботаніки дозволили В. А. Ковді в загальних рисахуявити найважливіші етапирозвитку грунтоутворювального процесу у зв'язку з історією розвитку рослин та рослинного покриву (1973). Початок почвообразовательного процесу Землі пов'язані з появою автотрофних бактерій, здатних до самостійного існування у найбільш несприятливих гидротермических умовах. Цей початковий процес впливу нижчих організмівна гірські породи земної кори В. Р. Вільяме назвав первинним ґрунтоутворювальним процесом. Автотрофні бактерії, відкриті З. М. Виноградовим наприкінці ХІХ століття, є найпростіші одноклітинні організми, що налічують близько сотні видів. Вони мають здатність дуже швидкого розмноження: 1 особина протягом доби може дати трильйони організмів. До сучасних автотрофів відносяться серобактерії, залізобактерії та ін, що грають надзвичайно важливу роль у внутрішньоґрунтових процесах. Час появи автотрофних бактерій йде, мабуть, докембрій.
Таким чином, перший синтез органічної речовини та біологічні цикли С, S, N, Fe, Mn, О 2 , H 2 у земній корі були пов'язані з діяльністю автотрофних бактерій, що використовують кисень мінеральних сполук. У виникненні ґрунтоутворювального процесу, можливо, поряд з автотрофними бактеріями відігравали якусь роль і неклітинні форми життя типу вірусів та бактеріофагів. Звичайно, це не був ґрунтоутворювальний процес у сучасному вигляді, оскільки не було кореневих рослин, не було скупчень гумусових сполук та біогенного механізму. І, мабуть, правильніше говорити про первинне біогеохімічне вивітрювання гірських порід під впливом нижчих організмів.
У докембрії з'явилися одноклітинні синьо-зелені водорості. З силуру та девону поширилися багатоклітинні водорості – зелені, бурі, багряні. Ґрунтоосвітній процес ускладнився, прискорився, почався у помітних кількостях синтез органічної речовини, і намітилося розширення малого біологічного круговороту О, Н, N, S та інших елементів живлення. Очевидно, вважає В.А. Ковда, почвообразовательный процес цих стадіях супроводжувався накопиченням біогенного мелкозема. Стадія початкового ґрунтоутворення була дуже тривалою і супроводжувалася повільним, але безперервним накопиченням біогенного мілкозему, збагаченого органічною речовиною та елементами, що залучаються до біологічного кругообігу: Н, О, С, N, P, S, Са, К, Fe, Si, A1. На цій стадії вже міг проходити біогенний синтез вторинних мінералів: алюмо- та феррисілікатів, фосфатів, сульфатів, карбонатів, нітратів, кварцу, а ґрунтоутворення було присвячене мілководним областям. На суші воно мало скельний та болотний характер.
У кембрії з'явилися й псилофіти - низькорослі рослини чагарникового типу, які мали навіть коріння. Вони набули деякого поширення в силурі та значного розвитку в девоні. У цей час з'являються хвощі і папороті - жителі вологих низовин. Отже, щодо розвинена форма почвообразовательного процесу розпочалася з силуру і девону, тобто. близько 300-400 млн років тому. Проте дернового процесу немає, оскільки був трав'янистої рослинності. Зольність папоротей і плаунів не висока (4-6%), хвощів набагато вища (20%). У складі золи переважали К (30%), Si (28%) та С1 (10%). Грибна мікрофлора сприяла залученню до біологічного кругообігу Р і К, а лишайники - Са, Fe, Si. Ймовірно утворення кислих ґрунтів (каолінітових аллітних, бокситових) та гідроморфних ґрунтів, збагачених сполуками заліза.
Розвинений грунтоутворювальний процес склався, мабуть, лише наприкінці палеозою (карбон, перм). Саме до цього часу вчені відносять появу суцільного рослинного покриву на суші. Крім папоротей, плаунів, хвощів з'явилися голонасінні рослини. Переважали ландшафти лісів та боліт, сформувалася зональність клімату на тлі панування теплого тропічного та субтропічного. Отже, у цей період переважали болотяний та лісовий тропічний ґрунтоутворювальні процеси.
Тривав цей режим приблизно до середини пермського періоду, коли поступово настало похолодання та висушення клімату. Сухість та похолодання сприяли подальшого розвиткузональності. Саме в цей період (друга половина пермі, тріас) широкого розвитку набули голосом'яні хвойні рослини. У високих широтах у цей час йшло утворення кислих підзолистих ґрунтів, у низьких - ґрунтоутворення йшло шляхом розвитку жовтоземів, червоноземів, бокситів. Невисока зольність (близько 4%), мізерний вміст Cl, Na, високий вміст у золі хвої Si (16%), Са (2%), S (6%), К (6,5%) призвели до розширення участі в біологічному кругообігу та у ґрунтоутворенні ролі Са, S, Р та зменшення ролі Si, К, Na, C1.
У юре з'являються діатомові водорості, а в наступному за нею крейдяному періоді - покритонасінні квіткові рослини. З середини крейдяного періоду широкого поширення набувають листяні породи - клен, дуб, береза, верба, евкаліпт, горіх, бук, граб. Під їхнім пологом починає слабшати підзолоутворювальний процес, оскільки у складі опаду цих рослин велика частка Са, Mg, До.
У третинну епоху на Земній кулі переважала тропічна флора: пальми, магнолії, секвоя, бук, каштан. Мінеральний склад речовин, що залучаються до кругового рота цими лісами, характеризувався значною участю Са, Mg, К, Р, S, Si, Al. Створювалися цим екологічні передумови появи та розвитку трав'янистої рослинності: зменшення кислотності грунтів і порід, накопичення елементів харчування.
Величезне важливе значення зміні характеру почвообразовательных процесів мала зміна панування деревної рослинності трав'янистої. Потужна коренева система дерев залучала до біологічного кругообігу значну масу мінеральних речовин, мобілізуючи їх для подальшого поселення трав'янистої рослинності. Короткочасність життя трав'янистої рослинності та зосередженість кореневих мас у верхніх шарах ґрунту забезпечують під покривом трав просторову концентрацію біологічного круговороту мінеральних речовин у менш потужній товщі горизонтів з акумуляцією в них елементів зольного харчування. Таким чином, починаючи з 2-ї половини крейдяного періоду, у третинному та особливо у четвертинному періодах під впливом панування трав'янистої рослинності поширився дерновий процес ґрунтоутворення.
Отже, роль живої речовини та біологічного круговороту в геологічній історії Землі та розвитку ґрунтоутворювального процесу безперервно зростала. Але й ґрунтоутворення поступово ставало однією з головних ланок біологічного круговороту речовин.
Грунт забезпечує постійну взаємодію великого геологічного та малого біологічного кругообігу речовин на земній поверхні. Ґрунт - сполучна ланка та регулятор взаємодії двох цих глобальних циклів речовини.
Ґрунт - акумулює в собі органічну речовину та пов'язану з нею хімічну енергію, хімічні елементи, тим самим регулюючи швидкість біологічного круговороту речовин.
Грунт, маючи здатність динамічно відтворювати свою родючість, регулює біосферні процеси. Зокрема, щільність життя Землі поруч із кліматичними чинниками багато чому визначається географічної неоднорідністю грунту.
Кругообіг речовин у природі - найважливіше екологічне поняття.
На рис. представлений біологічний цикл у поєднанні зі спрощеною схемою потоку енергії. Речовини залучені в кругообіг, а енергетичний потік односпрямований від рослин, що перетворюють енергію сонця на енергію хімічних зв'язків, до тварин, що використовують цю енергію, і далі до мікроорганізмів, що руйнують органічні речовини.
Односпрямований потік енергії надає руху кругообігу речовин. Кожен хімічний елемент, здійснюючи кругообіг в екосистемі, поперемінно переходить з органічної форми в неорганічну і навпаки.
Мал. 1. Потік енергії та кругообіг біогенних елементів у біосфері
Фотосинтез– створення органічних речовин (глюкози, крохмалю, целюлози та ін.) з вуглекислого газу та води за участю хлорофілу під дією сонячної енергії:
6СО 2 + 12Н 2 О + hν (673 ккал) = З 6 Н 12 О 6 + 6О 2 + 6Н 2 О
Фотосинтез - процес уловлювання сонячної енергії фотосинтезуючими організмами та перетворення її на енергію біомаси.
Щорічно рослинний світ запасає вільної енергії в 10 разів вище споживаної протягом року всім населенням Землі кількості енергії корисних копалин. Самі ці корисні копалини (вугілля, нафта та природний газ) теж продукти фотосинтезу, що відбувався мільйони років тому.
Щорічно при фотосинтезі засвоюється 200 млрд тонн вуглекислого газу і виділяється до 320 млрд тонн кисню. Весь вуглекислий газ атмосфери проходить через живу речовину протягом 6-7 років.
У біосфері протікають також процеси руйнування органічної речовини до найпростіших молекул: CO2, H2O, NH3. Розпад органічних сполук протікає в організмах тварин, у рослинах у процесі дихання з утворенням CO2 та H2O.
Мінералізація органічних речовин, розкладання відмерлої органіки до простих неорганічних сполук відбувається під впливом мікроорганізмів.
Протилежні процеси утворення та руйнування органічної речовини в біосфері утворюють єдиний біологічний кругообіг атомів. У процесі мінералізації органічних сполук звільняється енергія, поглинута при фотосинтезі. Вона звільняється як тепла, і навіть як хімічної енергії.
Біологічний кругообігявляє собою сукупність процесів надходження хімічних елементів у живі організми, біосинтезу нових складних сполук та повернення елементів у ґрунт, атмосферу та гідросферу.
Інтенсивність біологічного круговороту (БІК) визначається температурою навколишнього середовища та кількістю води. Біологічний кругообіг інтенсивніше протікає у вологих тропічних лісах, ніж у тундрі.
Найбільш важливим результатом біологічного кругообігу речовин є утворення на суші гумусового горизонту ґрунтів.
Біологічний кругообіг характеризується такими показниками.
Біомаса -маса живої речовини, накопичена на даний момент часу (фіто-, зоо-, мікробіомаса).
Біомаса рослин(фітомаса) - маса живих та відмерлих рослинних організмів.
Опад -кількість органічної речовини рослин, що відмерли на одиниці площі за одиницю часу.
Приріст- Біомаса, накопичена на одиниці площі за одиницю часу.
Хімічний склад рослин залежить від двох основних факторів:
1) екологічного, - обстановки проростання рослин, - рівні вмісту елементів у навколишньому середовищі, форми знаходження, у тому числі рухливі, доступні для рослин;
2) генетичного, у зв'язку з особливостями походження виду рослин.
У разі забруднення середовища концентрація елементів у рослинах визначається першим чинником. У фонових (непорушених) ландшафтах важливі обидва фактори.
Залежно від реакції на хімічний фактор середовища (на вміст хімічних елементів) можна виділити 2 групи рослин:
1) адаптованідо змін концентрації хімічних елементів;
2) не адаптованідо змін концентрації хімічних елементів
Зміна концентрацій хімічних елементів у середовищі не адаптованих рослин викликає фізіологічні порушення, що призводять до захворювань; розвиток рослин пригнічується, вид вимирає.
Деякі види рослин є добре пристосованими до перенесення високих концентрацій елементів. Це дикорослі рослини, які тривалий час ростуть у цій місцевості, які в результаті природного відбору набувають стійкості до несприятливих умов проживання.
Рослини, які концентрують хімічні елементи, називаються концентраторами. Наприклад: соняшник, картопля концентрують калій, чай – алюміній, мохи – залізо. Золото накопичують полин, польовий хвощ, кукурудза, дуб.
Є видатний російський вчений академік В.І. Вернадський.
Біосфера- Складна зовнішня оболонка Землі, в якій міститься вся сукупність живих організмів і та частина речовини планети, яка знаходиться в процесі безперервного обміну з цими організмами. Це одна з найважливіших геосфер Землі, яка є основним компонентом природного середовища, що оточує людину.
Земля складається з концентричних оболонок(геосфер) як внутрішніх, і зовнішніх. До внутрішніх відносяться ядро та мантія, а до зовнішніх: літосфера -кам'яна оболонка Землі, включаючи земну кору (рис. 1) завтовшки від 6 км (під океаном) до 80 км (гірські системи); гідросфера -водяна оболонка Землі; атмосфера- газова оболонка Землі, що складається з суміші різних газів, водяної пари та пилу.
На висоті від 10 до 50 км розташований шар озону, з максимальною концентрацією його на висоті 20-25 км, що захищає Землю від надмірного ультрафіолетового випромінювання, згубного для організму. Сюди ж (до зовнішніх геосфер) і біосфера.
Біосфера -зовнішня оболонка Землі, до якої входять частина атмосфери до висоти 25-30 км (до озонового шару), практично вся гідросфера і верхня частиналітосфери приблизно до глибини 3 км
Мал. 1. Схема будови земної кори
(Рис. 2). Особливість цих частин полягає в тому, що вони населені живими організмами, що становлять живу речовину планети. Взаємодія абіотичної частини біосфери- повітря, води, гірських порід та органічної речовини - біотизумовило формування грунтів та осадових порід.
Мал. 2. Структура біосфери та співвідношення поверхонь, зайнятих основними структурними одиницями
Кругообіг речовин у біосфері та екосистемах
Усі доступні для живих організмів хімічні сполукиу біосфері обмежені. Вичерпність придатних для засвоєння хімічних речовинчасто гальмує розвиток тих чи інших груп організмів у локальних ділянках суші чи океану. За словами академіка В.Р. Вільямса, єдиний спосіб надати кінцевому властивості нескінченного полягає в тому, щоб змусити його обертатися замкненою кривою. Отже, стійкість біосфери підтримується завдяки кругообігу речовин та потокам енергії. Є два основних кругообігу речовин: великий - геологічний і малий - біогеохімічний.
Великий геологічний кругообіг(Рис. 3). Кристалічні гірські породи (магматичні) під впливом фізичних, хімічних та біологічних факторів перетворюються на осадові породи. Пісок та глина - типові опади, продукти перетворення глибинних порід. Однак формування опадів відбувається не тільки за рахунок руйнування вже існуючих порід, але також і шляхом синтезу біогенних мінералів - скелетів мікроорганізмів - природних ресурсів- Вод океану, морів та озер. Пухкі водянисті опади в міру їх ізоляції на дні водойм новими порціями осадового матеріалу, занурення на глибину, попадання в нові термодинамічні умови (більше високі температуриі тиску) втрачають воду, твердіють, перетворюючись при цьому в осадові гірські породи.
Надалі ці породи занурюються також більш глибокі горизонти, де і протікають процеси їх глибинного перетворення до нових температурних і баричних умов, - відбуваються процеси метаморфізму.
Під впливом потоків ендогенної енергії глибинні породи переплавляються, утворюючи магму - джерело нових магматичних порід. Після підняття цих порід на поверхню Землі під дією процесів вивітрювання та перенесення знову відбувається їх трансформація в нові осадові породи.
Таким чином, великий кругообіг зумовлений взаємодією сонячної (екзогенної) енергії з глибинною (ендогенною) енергією Землі. Він перерозподіляє речовини між біосферою та глибшими горизонтами нашої планети.
Мал. 3. Великий (геологічний) кругообіг речовин (тонкі стрілки) та зміна різноманітності в земній корі (суцільні широкі стрілки – зростання, переривчасті – зменшення різноманітності)
Великим кругообігомназивається і кругообіг води між гідросферою, атмосферою та літосферою, який рухається енергією Сонця. Вода випаровується з поверхні водойм та суші і потім знову надходить на Землю у вигляді опадів. Над океаном випаровування перевищує опади, над суходолом навпаки. Ці відмінності компенсують річкові стоки. У глобальному кругообігу води важливу роль відіграє рослинність суші. Транспірація рослин на окремих ділянках земної поверхні може становити до 80-90% опадів, що випадають тут, а в середньому по всіх кліматичним поясам- близько 30%. На відміну від великого малого кругообігу речовин відбувається лише в межах біосфери. Взаємозв'язок великого та малого кругообігу води показано на рис. 4.
Кругообіги планетарного масштабу створюються з незліченних локальних циклічних переміщень атомів, що рухаються життєдіяльністю організмів в окремих екосистемах, і тих переміщень, які викликані дією ландшафтних і геологічних причин (поверхневий та підземний стік, вітрова ерозія, рух морського дна, вулканізм, гороутворення). ).
Мал. 4. Взаємозв'язок великого геологічного кругообігу (БГК) води з малим біогеохімічним кругообігом (МБК) води
На відміну від енергії, яка одного разу використана організмом, перетворюється на тепло і втрачається, речовини в біосфері циркулюють, створюючи біогеохімічні круговороти. З дев'яноста з гаком елементів, що зустрічаються в природі, живим організмам потрібно близько сорока. Найважливіші їм потрібні у великих кількостях — вуглець, водень, кисень, азот. Кругообіги елементів і речовин здійснюються за рахунок саморегулюючих процесів, в яких беруть участь усі складові. Ці процеси є безвідходними. Існує закон глобального замикання біогеохімічного кругообігу в біосферіщо діє на всіх етапах її розвитку. У процесі еволюції біосфери збільшується роль біологічного компонента у замиканні біогеохімічних речовин.
кого круговороту. Ще більший вплив на біогеохімічний кругообіг надає Людина. Але його роль проявляється у протилежному напрямку (кругообіги стають незамкненими). Основу біогеохімічного круговороту речей становлять енергія Сонця та хлорофіл зелених рослин. Інші найважливіші кругообіги - води, вуглецю, азоту, фосфору і сірки - пов'язані з біогеохімічним і сприяють йому.
Кругообіг води в біосфері
Рослини використовують водень води при фотосинтезі у побудові органічних сполук, виділяючи молекулярний кисень. У процесах дихання всіх живих істот при окисленні органічних сполук вода утворюється знову. В історії життя вся вільна вода гідросфери багаторазово пройшла цикли розкладання та новоутворення у живій речовині планети. У кругообіг води Землі щорічно залучається близько 500 000 км 3 води. Кругообіг води та її запаси показані на рис. 5 (у відносних величинах).
Кругообіг кисню в біосфері
Своєю унікальною атмосферою з високим вмістом вільного кисню Земля завдячує процесу фотосинтезу. З кругообігом кисню тісно пов'язане утворення озону у високих шарах атмосфери. Кисень звільняється з молекул води та є по суті побічним продуктом фотосинтетичної активності рослин. Абіотичним шляхом кисень виникає у верхніх шарах атмосфери за рахунок фотодисоціації парів води, але це джерело становить лише тисячні частки відсотка від фотосинтезом, що поставляються. Між вмістом кисню в атмосфері та гідросфері існує рухлива рівновага. У воді його приблизно в 21 рази менше.
Мал. 6. Схема круговороту кисню: напівжирні стрілки - основні потоки надходження та витрати кисню
Кисень, що виділився, інтенсивно витрачається на процеси дихання всіх аеробних організмів і на окислення різноманітних мінеральних сполук. Ці процеси відбуваються в атмосфері, ґрунті, воді, мулах та гірських породах. Показано, що значна частина кисню, пов'язаного в осадових породах, має фотосинтетичне походження. Обмінний фонд О, у атмосфері становить трохи більше 5% загальної продукції фотосинтезу. Багато анаеробних бактерій також окислюють органічні речовини в процесі анаеробного дихання, використовуючи для цього сульфати або нітрати.
На повне розкладання органічної речовини, що створюється рослинами, потрібна така сама кількість кисню, яка виділилася при фотосинтезі. Поховання органіки в осадових породах, вугіллі, торфах стало основою підтримки обмінного фонду кисню в атмосфері. Весь кисень, що є в ній, проходить повний цикл через живі організми приблизно за 2000 років.
В даний час значна частина кисню атмосфери пов'язується внаслідок роботи транспорту, промисловості та інших форм антропогенної діяльності. Відомо, що людство витрачає вже понад 10 млрд т вільного кисню із загальної його кількості в 430-470 млрд т, що постачається процесами фотосинтезу. Якщо врахувати, що в обмінний фонд надходить лише невелика частина фотосинтетичного кисню, діяльність людей у цьому плані починає набувати загрозливих масштабів.
Кругообіг кисню тісно пов'язаний з вуглецевим циклом.
Кругообіг вуглецю в біосфері
Вуглець як хімічний елемент є основою життя. Він може різними способамиз'єднуватися з багатьма іншими елементами, утворюючи прості та складні органічні молекули, що входять до складу живих клітин. По поширенню планети вуглець займає одинадцяте місце (0,35% ваги земної кори), але у живому речовині він у середньому становить близько 18 чи 45% сухої біомаси.
В атмосфері вуглець входить до складу вуглекислого газу С0 2 меншою мірою - до складу метану СН 4 . У гідросфері С0 2 розчинений у воді, і його загальний вміст набагато перевищує атмосферне. Океан служить потужним буфером регуляції 2 в атмосфері: при підвищенні в повітрі його концентрації збільшується поглинання вуглекислого газу водою. Деяка частина молекул С0 2 реагує з водою, утворюючи вугільну кислоту, яка потім дисоціює на іони НСО 3 - і СО 2- 3 Ці іони реагують з катіонами кальцію або магнію з випадінням в осад карбонатів. підтримує постійність рН води.
Вуглекислий газ атмосфери та гідросфери є обмінним фондом у кругообігу вуглецю, звідки його черпають наземні рослинита водорості. Фотосинтез лежить в основі всіх біологічних кругообігів на Землі. Вивільнення фіксованого вуглецю відбувається в ході дихальної активності самих фотосинтезуючих організмів та всіх гетеротрофів - бактерій, грибів, тварин, що включаються до ланцюга живлення за рахунок живої або мертвої органічної речовини.
Мал. 7. Кругообіг вуглецю
Особливо активно відбувається повернення в атмосферу С0 2 з ґрунту, де зосереджена діяльність численних груп організмів, що розкладають залишки відмерлих рослин та тварин та здійснюється дихання кореневих систем рослин. Цей інтегральний процес позначається як «грунтове дихання» і робить істотний внесок у поповнення обмінного фонду С02 у повітрі. Паралельно з процесами мінералізації органічної речовини у ґрунтах утворюється гумус — багатий на вуглецю складний і стійкий молекулярний комплекс. Гумус ґрунтів є одним із важливих резервуарів вуглецю на суші.
В умовах, де діяльність деструкторів гальмують фактори зовнішнього середовища (наприклад, при виникненні анаеробного режиму в ґрунтах та на дні водойм), органічна речовина, накопичена рослинністю, не розкладається, перетворюючись згодом на такі породи, як кам'яне або буре вугілля, торф, сапропелі. , горючі сланці та інші, багаті на накопичену сонячну енергію. Вони поповнюють резервний фонд вуглецю, надовго вимикаючись з біологічного круговороту. Вуглець тимчасово депонується також у живій біомасі, у мертвому опаді, у розчиненій органічній речовині океану тощо. Однак основним резервним фондом вуглецю на пишетеє не живі організми і не горючі копалини, а осадові породи - вапняки та доломіти.Їхнє утворення також пов'язане з діяльністю живої речовини. Вуглець цих карбонатів надовго похований у надрах Землі і надходить у кругообіг лише під час ерозії при оголенні порід у тектонічних циклах.
У біогеохімічному кругообігу беруть участь лише частки відсотка вуглецю від його загальної кількості Землі. Вуглець атмосфери та гідросфери багаторазово проходить через живі організми. Рослини суші здатні вичерпати його запаси у повітрі за 4-5 років, запаси у ґрунтовому гумусі – за 300-400 років. Основне повернення вуглецю в обмінний фонд відбувається за рахунок діяльності живих організмів, і лише невелика його частина (тисячні частки відсотка) компенсується виділенням із надр Землі у складі вулканічних газів.
Нині сильним чинником переведення вуглецю з резервного в обмінний фонд біосфери стає видобуток і спалювання величезних запасів горючих копалин.
Кругообіг азоту в біосфері
В атмосфері та живій речовині міститься менше 2% всього азоту на Землі, але саме він підтримує життя на планеті. Азот входить до складу найважливіших органічних молекул - ДНК, білків, ліпопротеїдів, АТФ, хлорофілу та ін. У рослинних тканинах його співвідношення з вуглецем становить у середньому 1: 30, а в морських водоростей I: 6. Біологічний цикл азоту тому також тісно пов'язаний із вуглецевим.
Молекулярний азот атмосфери недоступний рослинам, які можуть засвоювати цей елемент тільки у вигляді іонів амонію, нітратів або з ґрунтових або водних розчинів. Тому недолік азоту часто є фактором, що лімітує первинну продукцію - роботу організмів, пов'язану зі створенням органічних речовин з неорганічних. Проте атмосферний азот широко залучається до біологічного кругообігу завдяки діяльності особливих бактерій (азотфіксаторів).
У кругообігу азоту велику участь також беруть мікроорганізми, що амоніфікують. Вони розкладають білки та інші органічні речовини, що містять азот, до аміаку. В амонійній формі азот частиною знову поглинається корінням рослин, а частиною перехоплюється мікроорганізмами, що нітрифікують, що протилежно функціям групи мікроорганізмів — денітрифікаторів.
Мал. 8. Кругообіг азоту
В анаеробних умовах у ґрунтах або водах вони використовують кисень нітратів для окислення органічних речовин, одержуючи енергію для своєї життєдіяльності. Азот у своїй відновлюється до молекулярного. Азотфіксація та денітрифікація в природі приблизно врівноважені. Цикл азоту таким чином залежить переважно від діяльності бактерій, тоді як рослини вбудовуються в нього, використовуючи проміжні продукти цього циклу і набагато збільшуючи масштаби циркуляції азоту в біосфері за рахунок продукування біомаси.
Роль бактерій у кругообігу азоту настільки велика, що якщо знищити лише 20 їх видів, життя на нашій планеті припиниться.
Небіологічна фіксація азоту та надходження у ґрунти його оксидів та аміаку відбувається також з дощовими опадами при іонізації атмосфери та грозових розрядах. Сучасна промисловість добрив фіксує азот атмосфери у розмірі, що перевищують природну фіксацію азоту, з метою збільшення продукції сільськогосподарських рослин.
Нині діяльність людини дедалі більше впливає кругообіг азоту, переважно у бік перевищення перекладу їх у пов'язані форми над процесами повернення молекулярний стан.
Кругообіг фосфору в біосфері
Цей елемент, необхідний синтезу багатьох органічних речовин, включаючи АТФ, ДНК, РНК, засвоюється рослинами лише як іонів ортофосфорної кислоти (Р0 3 4 +). Він відноситься до елементів, що лімітують первинну продукцію і на суші, і особливо в океані, оскільки обмінний фонд фосфору в ґрунтах та водах невеликий. Кругообіг цього елемента в масштабах біосфери незамкнуто.
На суші рослини черпають з ґрунту фосфати, звільнені редуцентами з органічних залишків, що розкладаються. Однак у лужному чи кислому грунті розчинність фосфорних сполук різко падає. Основний резервний фонд фосфатів міститься у гірських породах, створених на дні океану в геологічному минулому. У ході вилуговування порід частина цих запасів переходить у ґрунт і у вигляді суспензій та розчинів вимивається у водойми. У гідросфері фосфати використовуються фітопланктоном, переходячи по ланцюгах живлення до інших гідробіонтів. Однак у океані більшість фосфорних сполук захоранивается з залишками тварин і рослин дні з наступним переходом з осадовими породами у великий геологічний кругообіг. На глибині розчинені фосфати зв'язуються з кальцієм, утворюючи фосфорити та апатити. У біосфері, власне, відбувається односпрямований потік фосфору з гірських порід суші в глибини океану, отже, обмінний фонд їх у гідросфері дуже обмежений.
Мал. 9. Кругообіг фосфору
Наземні поклади фосфоритів та апатитів використовуються під час виробництва добрив. Попадання фосфору в прісні водоймища є однією з головних причин їхнього «цвітіння».
Кругообіг сірки в біосфері
Кругообіг сірки, необхідної для побудови ряду амінокислот, відповідає за тривимірну структуру білків, що підтримується в біосфері широким спектромбактерій. В окремих ланках цього циклу беруть участь аеробні мікроорганізми, що окислюють сірку органічних залишків до сульфатів, а також анаеробні редуктори сульфату, що відновлюють сульфати до сірководню. Крім перерахованих групи сіркобактерій окислюють сірководень до елементарної сірки і далі до сульфатів. Рослини засвоюють із ґрунту і води тільки іони SO 2- 4 .
Кільце в центрі ілюструє процес окислення (О) та відновлення (R), завдяки яким відбувається обмін сірки між фондом доступного сульфату та фондом сульфідів заліза, що знаходиться глибоко в ґрунті та опадах.
Мал. 10. Кругообіг сірки. Кільце в центрі ілюструє процес окислення (0) та відновлення (R), завдяки яким відбувається обмін сірки між фондом доступного сульфату та фондом сульфідів заліза, що знаходиться глибоко в ґрунті та опадах.
Основне накопичення сірки відбувається в океані, куди іони сульфатів безперервно надходять із суші з річковим стоком. При виділенні із вод сірководню сірка частково повертається в атмосферу, де окислюється до діоксиду, перетворюючись на дощову воду на сірчану кислоту. Промислове використання великої кількостісульфатів та елементарної сірки та спалювання горючих копалин поставляють в атмосферу великі обсяги діоксиду сірки. Це шкодить рослинності, тваринам, людям і є джерелом кислотних дощів, що посилюють негативні ефекти втручання людини в кругообіг сірки.
Швидкість круговороту речовин
Усі круговороти речовин відбуваються з різною швидкістю (рис. 11)
Таким чином, кругообіги всіх біогенних елементів на планеті підтримуються складною взаємодією різних частин. Вони формуються діяльністю різних за функціями груп організмів, системою стоку та випаровування, що зв'язують океан і сушу, процесами циркуляції вод та повітряних мас, дією сил гравітації, тектонікою літосферних плит та іншими масштабними геологічними та геофізичними процесами.
Біосфера діє як єдина складна система, в якій відбуваються різні кругообіги речовин. Головним двигуном цих кругообігів є жива речовина планети, всі живі організми,що забезпечують процеси синтезу, трансформації та розкладання органічної речовини.
Мал. 11. Темпи циркуляції речовин (П. Клауд, А. Джібор, 1972)
В основі екологічного погляду на світ лежить уявлення про те, що кожна жива істота оточена безліччю впливають на неї різних факторів, що утворюють в комплексі його місце проживання - біотоп Отже, біотоп - ділянка території, однорідна за умовами життя для певних видів рослин або тварин(Схил яру, міський лісопарк, невелике озеро або частина великого, але з однорідними умовами - прибережна частина, глибоководна частина).
Організми, характерні для певного біотопу, становлять життєва спільнота, або біоценоз(Тварини, рослини та мікроорганізми озера, луки, берегової смуги).
Життєва спільнота (біоценоз) утворює зі своїм біотопом єдине ціле, яке називається екологічною системою (екосистемою)Прикладом природних екосистем можуть бути мурашник, озеро, ставок, луг, ліс, місто, ферма. Класичним прикладомШтучною екосистемою є космічний корабель. Як видно, тут немає суворої просторової структури. Близьким до поняття екосистеми є поняття біогеоценозу.
Основними компонентами екосистем є:
- неживе (абіотичне) середовище.Це вода, мінеральні речовини, гази, а також органічні речовини та гумус;
- біотичні компоненти.До них відносяться: продуценти або виробники (зелені рослини), консументи, або споживачі (живі істоти, які харчуються продуцентами), та редуценти, або розкладачі (мікроорганізми).
Природа діє дуже економно. Так, створена організмами біомаса (речовина тіл організмів) і енергія, що міститься в них, передаються іншим членам екосистеми: тварини поїдають рослини, цих тварин поїдають інші тварини. Цей процес називають харчовим, або трофічним, ланцюгом.У природі харчові ланцюги часто перехрещуються, утворюючи харчову мережу.
Приклади харчових ланцюгів: рослина - рослиноїдна тварина - хижак; злак - польова миша - лисиця та ін і харчова мережа показані на рис. 12.
Таким чином, стан рівноваги в біосфері ґрунтується на взаємодії біотичних та абіотичних факторів середовища, що підтримується завдяки безперервному обміну речовиною та енергією між усіма компонентами екосистем.
У замкнутих кругообігах природних екосистем поряд з іншими обов'язкова участь двох факторів: наявність редуцентів та постійне надходження сонячної енергії. У міських та штучних екосистемах мало або зовсім немає редуцентів, тому рідкі, тверді та газоподібні відходи накопичуються, забруднюючи довкілля.
Мал. 12. Харчова мережа та напрямок потоку речовини
Loading...