Процеси руху хімічних елементів, які відбуваються за участі живої речовини, називаються біогеохімічними циклами

КРУГООБІГ РЕЧОВИН

У біогеохімічних кругообігах слід розрізняти дні частини:

1)резервный фонд — це величезна маса рухомих речовин, не пов'язаних з організмами,

2) обмінний фонд — значно менший, але вельми активніший, зумовленний прямим обміном біогенною речовиною між організмамі і їх безпосереднім оточенням.

У біосфері в цілому можна виділити:

1) кругообіг газоподібних речовин з резервним фондом в атмосфері і гідросфері (океан) і

2) осадовий цикл з резервним фондом в земній корі (у геологічному кругообігі).

Всі ці циклічні процеси рухаються сонячною енергією, природно, витрачаючи її. У зв'язку з цим потрібно зауважити лише один-єдиний на Землі процес, який не витрачає, а, навпаки, зв'язує сонячну енергію і нагромаджує її, — це створення органічної речовини в результаті фотосинтезу. У скріпленні і запасанні сонячної енергії полягає основна планетарна функція живої речовини на Землі.

Основних кругообігів речовин в природі - 2:

Великий кругообіг речовин (геологічний) і малий (біогеохімічний).

Великий кругообіг речовин в природі (геологічний) обумовлений взаємодією сонячної енергії з глибиннною енергією Землі і перерозподіляє речовини між біосферою і глибшими горизонтами Землі. Цей кругообіг в системі «магматичні породи — осадові породи — метаморфічні породи (перетворені температурой і тиском) — магматичні породи» проходять за рахунок процесів магматізму, метаморфізму, літогенезу і динаміки земної кори.

Символом кругообігу речовин є спіраль: кожен новий цикл кругообігу не повторює в точності старий, а вносить щось нове, що з часом приводить до вельми значних змін.

Проте великий кругообіг — це і кругообіг води між сушею і океаном через атмосферу. Волога, випарувавшись з поверхні океану (на це витрачається 50% сонячній енергії), частично переноситься на сушу, де випадає у вигляді опадів, які знов повертаються в океан у вигляді поверхневого і підземного стоку, а частина опадів випадає на цю ж водну поверхню океану. У кругообігі на Землі щорік бере участь більше 500 тис. км3 води.

Малий кругообіг речовин в біосфері (біогеохимічний), на відміну від великого, здійснюється лише в межах біосфери. Суть його — в утворенні живої речовини з неорганічних з'єднань в процесі фотосинтезу і в перетворенні органічної речовини при розкладанні знов в неорганічні з'єднання.

Цей кругообіг для життя біосфери — головний, і він сам є породженням життя. Змінюючись, народжуючись і вмираючи, жива речовина подтримує життя на нашій планеті, забезпечуючи біогеохимічний кругообіг речовин.

У ряді екосистем перенесення речовини і енергії відбувається переважно за допомогою трофічних ланцюгів. Такий кругообіг зазвичай називають біологічним. Він передбачає замкнутий цикл речовин, що багато раз використовувався трофічним ланцюгом. Він може мати місце у водних екосистемах і, у виняткових випадках, в наземних (тропічні ліси)

Кругообіг води впливає на формування природних умов на нашій планеті. З врахуванням транспірації води рослинами та поглинанням її в біохімічному циклі весь запас води на землі поглинається і поновлюється за 2 мільйона років.

За рахунок процесів міграції хімічних елементів усі геосфери Землі зв'язані єдиним циклом кругообігу цих елементів. Такий кругообіг, рушійною силою якого є тектонічні процеси та сонячна енергія, отримав назву великого (геологічного) кругообігу. Цей кругообіг має абіотичний характер Тривалість його існування - близько 4 млрд. років.

Виникнення життя на Землі спричинило появу нової форми міграції хімічних елементів - біогенної. За рахунок біологічної міграції на великий кругообіг наклався малий (біогенний) кругообіг речовин.

Процеси руху хімічних елементів, які відбуваються за участі живої речовини, називаються біогеохімічними циклами.

Рух необхідних для життя елементів і неорганічних сполук можна назвати колообігом елементів живлення.

Стосовно біосфери, біогеохімічні цикли можна розподілити на два основні типи:

1) кругообіг газоподібних речовин з резервним фондом в атмосфері або гідросфері;

2) осадовий цикл з резервним фондом у земній корі.

Зараз обидва кругообіги протікають одночасно та тісно зв'язані між собою. Завдяки взаємодії різних груп живих організмів між собою та навколишнім середовищем в екосистемах виникає певна та характерні кожному виду екосистем структура біомаси, створюється своєрідний тип потоку енергії та специфічні закономірності її передачі від однієї групи організмів до іншої, формуються трофічні ланцюги, що визначають, послідовність переходу органічних речовин від одних груп живих організмів до інших.

Живі організми в біосфері ініціюють кругообіг речовин та призводять до виникнення біогеохімічних циклів. Пріоритетні дослідження біогеохімічних циклів були розпочаті В.І.Вернадським ще на початку 20-х років XX ст.. Біогеохімічний цикл можна визначити як циклічне, поетапне перетворення речовин та зміну потоків енергії з просторовим масоперенесенням, яке здійснюється за рахунок сумісної дії біотичної та абіотичної трансформації речовин. Біогеохімічні цикли становлять собою циклічні переміщення біогенних елементів: >вуглецю, >кисню, >водню, >азоту, >сірки, фосфору, кальцію.. На певних етапах цього кругообігу вони входять до складу живої речовини.

Рушійною силою всіх речовин в біогеохімічних циклах є потік сонячної енергії або частково енергії геологічних процесів Землі. Витрати енергії необхідні і для переміщення речовин у біогеохімічних циклах, і для подолання біогеохімічних бар'єрів. Такими бар'єрами на різних рівнях виступають мембрани клітин, самі особини рослин і тварин та інші матеріальні структури. Переміщення речовин у біогеохімічних циклах одночасно забезпечує життєдіяльність живих організмів. Головними оціночними параметрами ефективності та напрямку роботи біогеохімічного циклу є кількість біомаси, її елементарний склад та активне функціонування живих організмів.

Просторове переміщення речовин у межах геосфер або, інакше кажучи, їхня міграція підрозділяється на п'ять основних типів:

1.Механічне перенесення (йде без зміни хімічного складу речовин).

2.Водне (міграція здійснюється за рахунок розчинення речовин та їх

наступного переміщення у формі іонів або колоїдів). Це один із найбільш

важливих видів переміщення речовин у біосфері.

3.Повітряне (перенесення речовин у формі газів, пилу або аерозолів із потоками повітря).

4-Біогенне (перенесення здійснюється за активної участі живих організмів).

5.Техногенне, що проявляється як результат господарської діяльності людини.

Інтенсивність кругообігу речовин в будь-якому біогеохімічному циклі є найважливішою характеристикою. Оцінки такої інтенсивності зробити непросто. Одним із найбільш доступних індексів інтенсивності біологічного кругообігу речовин може служити співвідношення маси підстилки та іншого органічного опаду, який є в будь-якому біомі, та маси опаду, що утворюється за один рік. Чим більше цей індекс, тим, очевидно, нижче інтенсивність біологічного кругообігу. Реальні оцінки показують, що в тундрі значення цього індексу максимальні й, отже, тут мінімальна інтенсивність біогеохімічних циклів. У зоні тайги інтенсивність біологічного кругообігу зростає, а в зоні широколистих лісів стає ще більшим. Найбільша швидкість кругообігу речовин реєструється в тропічних та субтропічних біомах: саванах та вологих тропічних лісах. В агроекосистемах біогеохімічний кругообіг йде інтенсивно, але якісні його параметри вже інші.

Живі організми біосфери ініціюють та реалізують велику кількість широкомасштабних фізико-хімічних процесів. Метаболізм живих організмів супроводжується серйозними змінами газового складу атмосфери. З атмосфери вилучаються або, навпаки, надходять до неї кисень, вуглекислий газ, азот, аміак, метан, водяна пара та багато інших речовин. Під впливом накопичення в атмосфері вільного кисню, який є продуктом життєдіяльності та трансформації при формуванні гехносфери та агросфери, і вивчення їх
стало важливою задачею екології.

Біогеохімічний цикл вуглецю

Кругообіг вуглецю (СО2), головного компонента білків і нуклеїнових кислот, чітко просліджується трофічний ланцюг: продуценти, що уловлюють вуглець з атмосфери при фотосинтезі, консументи — що поглинають вуглець разом з тілами продуцентів і консументів нижчих порядків, редуценти — що повертають вуглець знов в круговообіг Швидкість СО2 складає порядка 300 років. У Світовому океані трофічний ланцюг ускладнюється тим, що частина вуглецю мертвого організму включається в осадові породи і приймає участь у геологічному кругообігу.

Сьогодні запаси вуглецю в атмосфері оцінюють у 700 млрд тонн, а в гідросфері — 50 000 млрд тонн. Річний фотосинтез складає для атмосфери 30 млрд тонн і для гідросфери — 150 млрд тонн. Виходячи з цих цифр, час кругообігу СО₂ складає 300—400 років (Р. Дажо, 1975).

Цей цикл ініціюється фотосинтезом та диханням. Обидва процеси йдуть так інтенсивно, що у рослин та тварин на долю вуглецю припадає до 40 - 50% загальної маси. Залишки відмерлих рослин та тварин сприяють утворення гумусу. Аналогічно утворюється й торф. У цих двох формах вміщується до 99% вуглецю нашої планети. Швидкість кругообігу вуглецю 300 років.

Утворення техносфери суттєво змінило цей цикл. Зараз антропогенні надходження вуглекислого газу в атмосферу зросло більше природного на 6—10%. Це пов'язано, головним чином, з вирубкою лісів та заміною їх менш продуктивними агроценозами. Певний внесок робить і промисловість та вс виробництва, які пов'язані зі спалюванням палива.

Біогеохімічний цикл азоту. Це один із найбільш швидких кругообігів речовин. Реалізується він в основному за рахунок діяльності різних груп живих організмів і, в першу чергу, при активній участі мікробів Основним депо азоту є газоподібний азот атмосфери. Його зв'язування здійснюється вільно існуючими азотфіксаторами. Органічні речовини, які вміщують зв'язаний азот мінералізуються за рахунок амоніфікації та нітрофікації, що робить доступним для вищих рослин нітратний та амонійний азот. Загальні оцінки фіксації атмосферного азоту суперечливі і в середньому для планети складають від 20 - 170 мг/м² в рік. Це відповідаєприблизно 126 млн. тонн азоту в рік.

В антропогенну епоху на кругообіг азоту великий вплив має виробництво синтетичних азотних добрив. Воно полягає у зв'язуванні азоту повітря та поетапного його перетворення спочатку в аміак, потім в азотну кислоту необхідну для отримання нітратів. Цей процес став широкомасштабним і залучив у біогеохімічний цикл азоту з атмосферного депо велику його кількість. Введення антропогенного азоту в його біогеохімічний цикл дорівнює 6,4x10⁷ тонн азоту в рік.

З усіх синтетичних мінеральних добрив азотні добрива вимагають найбільш енергетичних витрат при їх виробництві і тому є найдорожчими. Однак в сільському господарстві не розроблені технології безвідходного застосування азотних добрив. Нітрати не повністю використовуються культурними рослинами і суттєво забруднюють ґрунтові води та водойми.

• Проблема нітратного забруднення навколишнього середовища в наш

час стала однією з найбільш актуальних.

Кругообіг кисню. Швидкість кругообігу кисню 2 тис. років. Кисень атмосфери накопичений за рахунок фотосинтезу Єдине джерело абіогенного надходження вільного кисню — фотоліз води верхніх шарах атмосфери. У природі існує два фундаментальних процеси протилежних один одному, — це фотосинтез у рослин і дихання. Кількісті молекул О₂, що їх виділяють зелені рослини, пропорційна кількості молеку: СО₂, що зв'язуються. Кисень, що виділяється під час фотосинтезу, йде ні дихання живих істот та на окислення вуглецю під час мінералізаці органічних сполук. Накопичення кисню в атмосфері планети розпочалося з докембрію. Надалі концентрація кисню зростала й досягла сьогодні 21 % Збільшення кисню в атмосфері в далекі геологічні часи можна розглядати яі величезну екологічну катастрофу. Оскільки більшість прокаріотів кембрію tj палеозою не була пристосована до підвищення концентрації кисню, то вош звільнили місце для інших таксонів. Весь наявний запас кисню оцінюється 1,6 • 10¹⁵ т. Зелені рослини можуть відтворити його за 10 000 років (Н.М.Чернова, О.М.Билова, 1986). Щорічно вони виробляють 53* 10⁹т, а в океанах 414*10⁹т. кисню.

Біогеохімічний цикл фосфору. Цей цикл має найбільш простий характер Основний запас фосфору зосереджений на планеті у вигляді гірських порід та мінералів. При їх вивітрюванні утворюються фосфати, які використовуються рослинами для побудови органічних речовин свого тіла. Після відмирання рослин фосфор мінералізують мікроорганізми -

редуценти. Втрати фосфору з біогеохімічного циклу пов'язані в основному з винесенням фосфору в моря та океани. Звідти назад на суходіл він може потрапити тільки через рибу або гуано.

Фосфорні добрива виробляють в основному з гірських порід. Таке переведення фосфору з депо в активну частину біогеохімічного циклу так само, як у випадку з азотом, має негативні наслідки. Не використаний культурними рослинами фосфор у результаті вітрової ерозії надходить до водойм, що призводить до евтрофікації.

Хімічні елементи циркулюють у біосфері характерними шляхами із зовнішнього середовища в організм і знову в зовнішнє середовище.

Осадовий цикл. Більшість елементів і сполук «прив'язані» до Землі, ї? кругообіги входять у загальний осадовий цикл. Циркуляція в такому цикл здійснюється шляхом ерозії, гороутворення, вулканічної діяльності утворення осаду.

До осадових циклів відносять кругообіг фосфору, сірки, натрію, кальцію. Ці цикли добре викладені в монографіях з екології Ю.Одума (1989), М.Біґона Дж.Харпера (1989), Р.Дажо (1975), куди можуть звернутися всі, кого цікавлять ці питання.