Биосферадағы заттар айналымы. Әлемдік биогеохимиялық циклдар. В.И.Вернадскийдің негізгі биогеохимиялық заңдары. Қазіргі биосфера

Биосферадағы химиялық элементтер табиғи ортадан организмдерге, одан қайта ортаға үнемі айналып жүріп отырады. Өмірге қажетті элементтер мен органикалық емес қосындылардың ортадан организмге, организмнен ортаға айналуын қоректік элементтер айналымы деп атайды.

Биосферада болатын заттар айналымын екіге бөлу болар еді. Бірінші – газ түріндегі заттар айналымы. Оған көміртек, оттек, азот сияқты газдар қатынасып, шығын болған газдың орнын ауадағы немесе мұхиттағы сақтаулы қорлар толтырып отырады. Мысалы өрт болып бір жерге көмірқышқыл газ көп жиналса, ол желмен басқа жаққа тарап немесе өсімдіктердің көмегімен азайып жатады.

Екінші – шөгінді заттар айналымы. Мысалы, фосфор (Р), немесе темір (Ғе), тез бұзылытындықтан айналымнан ұзақ уақытқа шығып қалады, оларды қайтадан заттар айналымына қосу үшін биологиялық процестер жүргізу қажет.

Адамдардың табиғаттағы заттар айналымына әсерлері үлкен. Соның нәтижесінде бұл айналымдар белгілі ырғақтан шығып, өте жылдам жүретін болса, жаратылысқа тән емес өзгерістерге түседі. Сол себепті бір жерге көп жиналып, екінші жерде жетіспей жатады. Мысалы фосфор рудасын қазғанда, өңдегенде кен қазатын жер және өңдейтін зауыт маңайы руда қалдықтарымен өте көп ластанады. Егістік жерлерге фосфор тыңайтқышын шамадан тыс қолданғандықтан егістіктер, өзендер, көлдер ластанып су қорларының сипаты төмендейді.

Табиғатты қорғаудағы негізгі мақсат – ондағы қалыптасқан заттар айналымы ырғағын сақтау, заттарды табиғи айналым процесіне қайтарып отыру керек.

Заттар айналымында тірі организмдер мен олардың жиынтығы мынадай биогеохимиялық (био – тірі организмдер туралы, гео – тау-тас, ауа, су, өлі табиғат туралы ғылым) рольдер атқарады.

Газ бөлу – жасыл өсімдіктер фотосинтез процестер оттек, адамдар мен жануарлар – көмір қышқыл газын бөлсе, бактериялар азот пен күкіртті сутек газдарын қалпына келтіреді;

Жинақтау – тірі организмдер сутек, көміртек, оттегі, натрий, марганец, магний, алюминий, фосфор, кремний, калий, кальций, күкірт, темір, кейбіреулері йод, радий сияқты химиялық элементтер бойларына жинап алып қалады;

Тотықтыру-қалпына келтіру-организмдер топырақты, судағы заттарды толықтырады. Соның нәтижесінде тұздар, тотықтар пайда болады, заттарды қайтадан қалпына келтіреді (күкірт, сутек, күкіртті темір). Бактериялар жер қойнауында әктас, боксит т.б. шөгінділер қорғайды.

Биохимиялық-қоректену дем алу, өсіп-өну, өліп-қирау, іріп-шіру сияқты рольдер атқарады.

Аса маңызды заттар айналымына биологиялық, су, химиялық элементтер және энергия айналмындарын жатқызуға болады.

Биологиялық айналым өсімдіктердің өсіп өнуінен, жануарлардың оларды қорек етіп күн көруінен, жыртқыштардың жануарларды жеп өмір сүруінен, соңынан өсімдіктер мен жануарлар қалдықтары өлі органикалық заттарға айналып, іріп-шіріп қайтадан өсімдіктердің қоректік тізбегіне кіруінен тұрады.

Күн сәулесін сіңіріп, тірі заттар (материя) өндіретін өсімдіктер продуценттер (өндірушілер), олармен қоректенетін жануарларды консументтер (тұтынушылар), органикалық заттар мен олардың қалдықтарын бөлшектеп, ірітеп-шірітетін, заттар айналымын қайта бастауға әзірлейтін өте ұсақ организмдерді редуценттер (қайта қалыпқа келтірушілер) деп атайды.

Консументтер екіге бөлінеді: Біріншілері өсімдіктермен, өсімдіктің тұқымымен, шырынымен, гүлімен, гүлдердің аталық тозаңымен, тәтті шірнесімен т.б. қоректенетін бір сөзбен айтқанда шөп жейтін жануарлар, екіншілері жануарлармен қоректенетін жыртқыштар, басқаша айтқанда ет жейтіндер.

Гетерогрофтар өздері қоректенетін органикалық заттарды ақырына дейін пайдаланып көмір қышқыл газға, суға т.б. минералды заттарға айналдыра алмайды. Әрқайсысы органикалық заттардағы энергияның бір бөлігін ғана алып ыдыратады. Қалғандарын басқа гетеротрофтар қорек етіп, солар ыдыратып бітіреді.

Биологиялық айналымды заттардың биогеохимиялық айналымы деп те атайды. Уақытқа байланысты олар толық тұйық цикл болып есептелінеді, оны биологиялық немесе биогеохимиялық цикл деп атайды. Биологиялық айналым нәтижесінде химиялық элементтердің таралуы болады, олардың бастапқы тау жыныстарынан топыраққа, өсімдіктер мен жануарларға өтуі процестері жүреді.

Оттегі айналымы. Жер атмосферасындағы оттек хлорфильді организмдермен қатар пайда болған. Алғашында олардың оттек газы ультракүлгін күн сәулесінің әсерімен озонға айналып, аспанда озон қабатын құрады. Озон қабаты ультракүлгін күн сәулесінің жер бетіне түгелдей өтуіне кедергі болған соң хлорофильді организмдер, әсіресе су қабатындағы фитопланктондар өсіп, көбейіп, олардан бөлінген оттек жер бетіне жинала бастайды.

Ауадағы оттегі айналымының үлгісі мынадай:

 

          ӨТЕ КҮЛГІН УЛЬТРАКҮЛГІН СӘУЛЕ ҚАБАТЫ

теңіз бен мұхит фитопланктондары

жанар      таулар

адамдар мен жануарлар

ормандар мен шөптер

                                     ОЗОН ҚАБАТЫ

                 ТРОПОСФЕРА  

 

Көміртегі айналымы. Барлық организмдер өмір сүру үшін химиялық қоспаларды жинақтау, қосу процестерімен қатар оған қарама-қарсы болып саналатын заттарды ажырату, ыдырату, ірітіп-шіріту процестерін жүргізетіні белгілі.

Оттегі айналымында жасыл өсімдіктер атмосфераға оттек берушілер болса, көміртек айналымында ауадағы көмір қышқыл газды жинап пайдаланушылар болып табылады.. Судағы организмдер суда еріген көмір қышқыл газын дене қаңқаларын құруға пайдаланып, олар өлгеннен кейін денелері теңіз түбіне түсіп әк тастан тұратын тау жоталарын құрайды.

Көмір қышқыл газы отын жаққанда, өрт болғанда, жанар таулар атқылағанда, адамдар мен жануарлар дем алғанда бөлінеді.

Өсімдіктер де және жануарлар денесінде қалған көмір қышқыл газы олар өлгеннен кейін органикалық қалдықтармен бірге топыраққа кетеді. Қалдықтар іріп-шіруіне байланысты босаған көмір қышқыл газы атмосфераға келіп қосылады.

Көміртегі айналымын төмендегідей болады.

 

 

 

Оттегі сияқты көміртекте топырақта, өсімдіктердің, жануарлардың құрамында болады. Биосферадағы көміртек айналымының қорытынды кезеңі, көмір қышқыл газы арқылы аяқталады.

Ауадағы көмір қышқыл газы өсімдіктердің тез өсуіне, мол өнім беруіне зор әсер етеді. Газдың осы қаситін пайдаланған бақшашылар парниктерде қыс айларының өзінде көкөністкр мен гүлдер өсіріп табыс табады.

Оттегімен салыстырғанда көмір қышқыл газы суда 35 есе тез ериді де көмір қышқылы тұздар және кальций (күміс сияқты жарқырауық металл) жинақтарымен өте күрделі байланысқа түседі. Мысалы тұзды суда көмір қышқыл газын азайтса онда көмір қышқылды тұз тез пайда болады. Егер көмір қышқыл газды қайтадан көбейтіп бұрынғы қалпына келтірсе тұздар суда еріп кетеді.

Жер жүзінде тұзды көлдер аз емес. Олардың құрамында көмір қышқыл газды азайтып тұз өндіретін кәсіпорындар ашуға болады. Көмір қышқыл газдың мөлшерін бұрынғы қалпына келтірсе олар баяғы тұзды көлге айналады.

Азот айналымы. Топырақта азот бірнеше жолдармен келеді. Көбіне аспанда найзағай ойнағанда жаңбыр суымен келіп қосылады. Жанар таулар атқылағанда 1км жерге шамамен 1 тонна азот қосылады. Бірақ ауадағы және топырақтағы бос азотты өсімдіктер пайдалана алмайды. Оны кейбір өте ұсақ организмдер, өсімдік тамырларында өмір сүоетін бактериялар, судағы жасыл-көк балдырлар ғана байлап, өсімдіктер пайдаланатын түрге келіп отырады. Өсімдікиер азотты нитрат жіне нитрат түрінде пайдаланып қоректік тізбек арқылы адамдарға, жануарларға береді.

Организмдер өліп, қалдықтарын ұсақ организмдер мен бактериялар шіріткен соң азоттың бір бөлігі тұзға айналып топырақта қалса, екінші бөлегі молекула түрінде атмосфераға оралады.

Органикалық заттар құрамында оттегі, су, көміртегі пен азоттан басқа күкірт, фосфор, мыс, темір т.б. сияқты элементтер бар. Оларда табиғатта болатын заттар айналымына қатынасып, жануарлар және өсімдіктер дүниесі үшін өте қажет болып саналады.

Организмдер өмір сүруіне өте қажет және көп жұмсалатын элементтер мен олардың қосындыларын макроэлементтер деп атайды. Оны өнімді көбейтуге көмектесетін фосфор, омыртқасыздар деп омыртқалы жануарларға керек – кальций, хлорофилл молекулаларына керек – магний, экологиялық жүйедегі барлық организмдерге қажет – калий жатады.

Организмдер өмір сүру үшін қажетті, бірақ өте аз мөлшерде жұмсалатын элементтер мен қосындыларын микроэлементтер деп атайды. Қоршаған ортада олардың қоры да көп болмайды. Өсімдіктер үшін 10 түрлі микроэлементтер қажет. Олардың ішінде фотосинтез үшін – темір, марганец, хлор, қорғасын, ванадий, азот айналымы үшін – темір, молибден, бор, кобальт, басқа процестер үшін – мыс, кремний, марганец, бор, кобальт.

Жануарлар үшін 15-16 микроэлементтер қажет. Олар – темір, марганец, хлор, қорғасын, ванадий, молибден, кобальт, мыс, кремний, селен, хром, никель, фтор, иод, мүмкін мышьяк болуы да.

Аталған элементтердің көп болуы немесе жетіспеуі организмдердің өмір сүруіне өздерлерінің әсерлерін тигізіп, өнімнің аз болуына, болмаса аурусырқау көбеюіне әкеліп соғады.

Мысалы фосфор айналымын алайық. Ол организмде құралатын тірі зат – протоплазмаға (клетка ішіндегі тіршілік материалы) өте қажет. Фосфор органикалық қосындылардан өтіп фосфатқа айналып, қайтадан өсімдіктер пайдаланатын түрге түседі.

Фосфордың сақталатын орны өткен геологиялық дәуірлерде пайда болған таулар мен тау шөгінділері. Жылдар өткен сайын олар күн сәулесінің, жауын-шашынның, желдің әсерімен бұзылып, ұнтақталып аз бөлігі құрлықтағы экологиялық жүйелерге тараса, көпшілігі теңіз бен мұхит суларында жиналдаы.

 Тыңайтқыш ретінде қолданатын фосфор рудасын қазір таулардан алады.

Екінші дәрежедегі элементтер айналымы.

Көптеген екінші дәпежедегі элементтер организмдерге ешқандай әсер етпейтін сияқты. Мүмкін олар үйренген де, көндіккен де болар.

Соңғы жылдары тау – кен, химия өнеркәсіптері, ауыл шаруашылығы тез өсуіне байланысты бұрынғы екінші дәрежедегі элементтердің мөлшері артып, жаңадан пайда болған, құрамында ауыр металдар, улы органикалық қосындылар мен басқа да зиянды заттар бар элементтер жиі кездесетін болды. Осындай сирек кездесетін, мөлшері аз элемент жоғары уытты металл қосындысынан немесе химиялық радиоактивті изотоптан (атомдағы протон саны бірдей, нейтрон саны бірдей емес химиялық элемент) құралған болса қоршаған ортаға өте зиянды болады.

Фосфор айналымын төмендегі кестеден көруге болады.

 

ПРОТОПЛАЗМА

 

Мысалы стронций (Sr) көпшіліктің назарын аударуда. Себебі радиоактивті стронций адамдар мен омыртқалы жануарлар үшін өте қауіпті. Химиялық қасиеттерімен ол кальцийге ұқсас, организмге сіңген соң сүйектерде жиналған қан жасап шығаушы организм клеткаларымен орналасады. Көбіне атом қаруларын сынағанда, атом электр станциялары жұмыс жасағанда Уран (U) ажырап оның қалдықтары ішінде стронций – 90 пайда болады. Ол ұзақ уақыт өзінің радиоактивті қасиетін жоғалтпайды.

Радиоактивті цезий – (Сs) – 137 де атом ядролары бөлінуінен (ажыратуынан) пайда болып, химиялық қасиеттермен калийге ұқсайды. Өсімдіктерден жануарларға олардан адамдарға тез өтеді. Қазір атом электр станциялары, атом қуатын пайдаланатын сүңгіру қайықтарда цезийі бар қалдықтар көп жиналған. Олардан қалай құтылу жолдарын әлі таба алмай келеді.

Жұртшылықтың атом электр станцияларын қорқатын, оларды жек көретін себептері де осында.

Сынап (Hg) табиғатта өте аз. Бірақ қазбалы кен орындары көбейіп, өндірісте пайдалану өсуіне байланысты қоршаған ортаға сынап, басқа да ауыр металдар (қорғасын, мыс т.б.) көп жинала бастады.

Топырақта өзен суларында сынаптың болуы адамдар мен басқа организмдер үшін өте қауіпті.

Өсімдіктер өсіп, өнім бергенде ауадан, судан, топырақтан химиялық элементтерді алып пайдаланады. Олардың орнын толтыру үшін адамдар минералды тыңайтқыштар, қи, шым тезек қолданады. Кейде шөптерді жерге көміп кеміген заттардың орнын толтыру да бар.

Мысалы жоңышқа топырақтан кальций алады, ал егер оны жерге көмсе кальций қайтадан топыраққа оралады. Бұл биологиялық жер өңдеу әдісі деп аталады.

Егін шаруашылығында көп өнім алу үшін минералды тыңайтқыштарды қолданғанда бір ескеретін жәй – топырақта осы тыңайтқыштарды өсімдіктер қорегіне жарайтын заттарға айналдыратын өте ұсақ организмдер мен бактериялар болмаса қанша тыңайтқыш төккенмен өнім молаймайды.