Великий геологічний кругообіг. Велика енциклопедія нафти та газу

Великий (геологічний) та малий (біогеохімічні) кругообіг речовин

Всі речовини на нашій планеті знаходяться в процесі колообігу. Сонячна енергія викликає на Землі два круговороти речовин:

Великий (геологічний чи абіотичний);

Малий (біотичний, біогенний чи біологічний).

Кругообіги речовин і потоки космічної енергії створюють стійкість біосфери. Кругообіг твердої речовини та води, що відбувається в результаті дії абіотичних факторів (неживої природи), називають великим геологічним кругообігом. При великому геологічному кругообігу (протікає мільйони років) гірські породи руйнуються, вивітрюються, речовини розчиняються і потрапляють у Світовий океан; протікають геотектонічні зміни, опускання материків, підняття морського дна. Час кругообігу води у льодовиках 8 000 років, у річках – 11 днів. Саме великий кругообіг постачає живим організмам елементи живлення та багато в чому визначає умови їхнього існування.

Великий, геологічний кругообіг у біосфері характеризується двома важливими моментами: кисень вуглець геологічний

• а) здійснюється протягом усього геологічного розвиткуЗемлі;
• б) є ​​сучасним планетарним процесом, що бере провідну участь у подальший розвитокбіосфери.

На сучасному етапі розвитку людства в результаті великого кругообігу на великі відстані переносяться також забруднюючі речовини - оксиди сірки та азоту, пил, радіоактивні домішки. Найбільше забруднення зазнали території помірних широт Північної півкулі.

Малий, біогенний або біологічний кругообіг речовин відбувається у твердій, рідкій та газоподібних фазах за участю живих організмів. Біологічний кругообіг на противагу геологічному вимагає менших витрат енергії. Малий кругообіг є частиною великого, відбувається на рівні біогеоценозів (всередині екосистем) і полягає в тому, що поживні речовини ґрунту, вода, вуглець акумулюються в речовині рослин, витрачаються на побудову тіла. Продукти розпаду органічної речовини розкладаються до мінеральних компонентів. Малий кругообіг незамкнуто, що пов'язано з надходженням речовин і енергії в екосистему ззовні та з виходом частини їх у біосферний кругообіг.

У великому та малому кругообігах бере участь безліч хімічних елементів та їх сполук, але найважливішими з них є ті, які визначають сучасний етап розвитку біосфери, пов'язаний з господарською діяльністю людини. До них відносяться кругообіги вуглецю, сірки та азоту (їх оксиди – найголовніші забруднювачі атмосфери), а також фосфору (фосфати – головний забруднювач материкових вод). Майже всі забруднюючі речовини виступають як шкідливі, та його відносять до групи ксенобіотиків. В даний час велике значення мають кругообіги ксенобіотиків – токсичних елементів – ртуті (забруднювач харчових продуктів) та свинцю (компонент бензину). Крім того, з великого круговороту до малого надходять багато речовин антропогенного походження (ДДТ, пестициди, радіонукліди та ін.), які завдають шкоди біоті та здоров'ю людини.

Суть біологічного круговороту полягає у перебігу двох протилежних, але взаємопов'язаних процесів - творення органічної речовини та її руйнування живою речовиною.

На відміну від великого круговороту малий має різну тривалість: розрізняють сезонні, річні, багаторічні та вікові малі круговороти. Кругообіг хімічних речовин з неорганічного середовища через рослинність і тварин назад у неорганічне середовище з використанням сонячної енергії хімічних реакційназивається біогеохімічним циклом.

Сьогодення та майбутнє нашої планети залежить від участі живих організмів у функціонуванні біосфери. У кругообігу речовин жива речовина, або біомаса, виконує біогеохімічні функції: газову, концентраційну, окислювально-відновну та біохімічну.

Біологічний кругообіг відбувається за участю живих організмів і полягає у відтворенні органічної речовини з неорганічного та розкладанні цього органічного до неорганічного за допомогою харчового трофічного ланцюга. Інтенсивність продукційних та деструкційних процесів у біологічному кругообігу залежить від кількості тепла та вологи. Наприклад, низька швидкість розкладання органічної речовини полярних районів залежить від дефіциту тепла.

Важливим показником інтенсивності біологічного кругообігу є швидкість обігу хімічних елементів. Інтенсивність характеризується індексом, що дорівнює відношенню маси лісової підстилки до опаду. Чим більший індекс, тим менша інтенсивність круговороту.

Індекс у хвойних лісах – 10 – 17; широколистяних 3 - 4; савані не більше 0,2; вологих тропічних лісах трохи більше 0,1 , тобто. тут біологічний кругообіг найінтенсивніший.

Потік елементів (азоту, фосфору, сірки) через мікроорганізми на порядок вищий, ніж через рослини та тварин. Біологічний кругообіг не є повністю оборотним, він тісно пов'язаний з біогеохімічним кругообігом. Хімічні елементи циркулюють у біосфері різними шляхами біологічного круговороту:

• - поглинаються живою речовиною та заряджаються енергією;
• - залишають живу речовину, виділяючи енергію у зовнішнє середовище.

Ці цикли бувають двох типів: кругообіг газоподібних речовин; осадовий цикл (резерв у земній корі).

Самі круговороти складаються із двох частин:

• - Резервного фонду (це частина речовини, не пов'язана з живими організмами);
• - рухомого (обмінного) фонду (менша частина речовини, пов'язана з прямим обміном між організмами та їх безпосереднім оточенням).

Кругообіги ділять на:

• - кругообіги газового типу з резервним фондом у земній корі (кругообіги вуглецю, кисню, азоту) - здатні до швидкої саморегуляції;
• - кругообіги осадового типу з резервним фондом у земній корі (кругообіги фосфору, кальцію, заліза та ін) - більш інертні, основна маса речовини знаходиться в «недоступному» живим організмам вигляді.

Кругообіги також можна розділити на:

• - замкнуті (кругообіг газоподібних речовин, наприклад, кисню, вуглецю та азоту - резерв в атмосфері та гідросфері океану, тому брак швидко компенсується);
• - незамкнуті (що створюють резервний фонд у земній корі, наприклад, фосфор – тому втрати погано компенсуються, тобто створюється дефіцит).

Енергетичною основою існування біологічних кругообігів на Землі та їх початковою ланкою є процес фотосинтезу. Кожен новий цикл кругообігу не є точним повторенням попереднього. Наприклад, у ході еволюції біосфери частина процесів мала незворотний характер, внаслідок чого відбувалося утворення та накопичення біогенних опадів, збільшення кількості кисню в атмосфері, зміна кількісних співвідношень ізотопів низки елементів тощо.

Циркуляцію речовин прийнято називати біогеохімічними циклами. Основні біогеохімічні (біосферні) цикли речовин: цикл води, цикл кисню, цикл азоту (участь бактерій-азотфіксаторів), цикл вуглецю (участь аеробних бактерій; щорічно близько 130 т вуглецю скидається в геологічний цикл), цикл фосфору (участь ґрунтів; океани вимивається 14 млн.т фосфору), цикл сірки, цикл катіонів металів.

Кругообіг води

Кругообіг води - замкнутий цикл, який може відбуватися, як було сказано вище, і без життя, але живі організми видозмінюють його.

Кругообіг заснований на принципі: сумарне випаровування компенсується випаданням опадів. Для планети загалом випаровування та опади врівноважують один одного. При цьому з океану випаровується більше води, ніж повертається з опадами. На суші, навпаки, більше випадає опадів, але надлишок стікає в озера та річки, а звідти знову в океан. Баланс вологи між континентами та океанами підтримується річковим стоком.

Таким чином, глобальний гідрологічний цикл має чотири основні потоки: опади, випаровування, вологоперенесення, транспірація.

Вода - найпоширеніша речовина в біосфері - служить не тільки місцем існування для багатьох організмів, але і є складовоютіла всіх живих істот. Незважаючи на велике значення води у всіх життєвих процесах, що відбуваються в біосфері, жива речовина не відіграє визначальної ролі у великому кругообігу води на земній кулі. Рушійною силою цього кругообігу є енергія сонця, яка витрачається на випаровування води з поверхні водяних басейнів чи суші. Волога, що випарувалася, конденсується в атмосфері у вигляді хмар, що переносяться вітром; при охолодженні хмар випадають опади.

Загальна кількість вільної незв'язаної води (частка океанів і морів, де рідка солона вода) припадає від 86 до 98%. Решта води (прісна вода) зберігається в полярних шапках і льодовиках і утворює водні басейни та її ґрунтові води. Випадають на поверхню суші, покритої рослинністю, опади частково затримуються листовою поверхнею і надалі випаровуються в атмосферу. Волога, що досягла ґрунту, може приєднатися до поверхневого стоку або поглинутись ґрунтом. Повністю поглинувшись ґрунтом (це залежить від типу ґрунтів, особливості гірських порід та рослинного покриву), надлишок осаду може просочитися вглиб, до ґрунтових вод. Якщо кількість опадів, що випали, перевищує вологоємність верхніх шарівґрунту, починається поверхневий стік, швидкість якого залежить від стану ґрунту, крутості схилу, тривалості опадів та характеру рослинності (рослинність може захистити ґрунт від водної ерозії). Вода, що затрималася в ґрунті, може випаровуватися з її поверхні або після поглинання корінням рослин транспіруватися (випаровуватися) в атмосферу через листя.

Транспіраційний струм води (грунт - коріння рослин - листя -атмосфера) являє собою основний шлях води через живу речовину в її великому кругообігу на нашій планеті.

Кругообіг вуглецю

Від властивостей та особливостей вуглецю залежить все різноманіття органічних речовин, біохімічних процесів та життєвих форм на Землі. Вміст вуглецю в більшості живих організмів становить близько 45% від сухої їхньої біомаси. У кругообігу органічної речовини і всього вуглецю Землі бере участь усі жива речовина планети, яка безперервно виникає, видозмінюється, гине, розкладається і в такій послідовності відбувається перенесення вуглецю з однієї органічної речовини на побудову іншого ланцюга живлення. Крім того, все живе дихає, виділяючи вуглекислий газ.

Кругообіг вуглецю на суші. Кругообіг вуглецю підтримується завдяки фотосинтезу наземними рослинами та океанським фітопланктоном. Поглинаючи вуглекислоту (фіксуючи неорганічний вуглець), рослини з допомогою енергії сонячного світла перетворять їх у органічні сполуки - створюючи свою біомасу. Вночі рослини, як і все живе, дихають, виділяючи вуглекислий газ.

Відмерлі рослини, трупи та екскременти тварин служать їжею для численних гетеротрофних організмів (тварин, рослин-сапрофітів, грибів, мікроорганізмів). Всі ці організми мешкають в основному в ґрунті та в процесі життєдіяльності створюють свою біомасу, до складу якої входить органічний вуглець. Вони також виділяють вуглекислий газ, створюючи ґрунтове дихання. Часто мертва органічна речовина не повністю розкладається і в ґрунтах накопичується гумус (перегній), що грає важливу роль у родючості ґрунтів. Ступінь мінералізації та гумифікації органічних речовин залежить від багатьох факторів: вологості, температури, фізичних властивостей ґрунту, складу органічних залишків тощо. Під дією бактерій та грибів гумус може розкладатися до вуглекислоти та мінеральних сполук.

Кругообіг вуглецю в Світовому океані. Кругообіг вуглецю в океані відрізняється від кругообігу на суші. В океані слабка ланка організмів вищих трофічних рівнів, отже, і всі ланки круговороту вуглецю. Час проходження вуглецю через трофічну ланку океану нетривало, а кількість вуглекислого газу, що виділяється незначно.

Океан виконує роль основного регулятора вмісту вуглекислого газу атмосфері. Між океаном та атмосферою відбувається інтенсивний обмін вуглекислого газу. Води океану мають велику розчинну здатність та буферну ємність. Система, що складається з вугільної кислоти та її солей (карбонатів) є своєрідним депо вуглекислоти, пов'язана з атмосферою через дифузію СО? з води в атмосферу та назад.

В океані вдень інтенсивно протікає фотосинтез фітопланктону, при цьому вільна вуглекислота посилено витрачається, карбонати є додатковим джерелом її утворення. Вночі зі збільшенням вмісту вільної кислоти з допомогою дихання тварин і рослин значна частина знову входить до складу карбонатів. Процеси, що відбуваються, йдуть у напрямках: жива речовина? ЗІ?? Н?ЗІ?? Са(НСО?)?? СаСО?

У природі кілька органічної речовини не піддається мінералізації внаслідок нестачі кисню, великої кислотності середовища, специфічних умов поховання тощо. Частина вуглецю виходить із біологічного круговороту у вигляді неорганічних (вапняки, крейда, корали) та органічних (сланці, нафта, вугілля) відкладень.

Діяльність людини вносить суттєві зміни в кругообіг вуглецю на нашій планеті. Змінюються ландшафти, типи рослинності, біоценози та їх харчові ланцюги, осушуються або зрошуються величезні площі поверхні суші, покращується (або погіршується) родючість ґрунтів, вносяться добрива та пестициди тощо. Найбільш небезпечним є надходження вуглекислого газу в атмосферу в результаті спалювання палива. При цьому збільшується швидкість круговороту вуглецю і скорочується його цикл.

Кругообіг кисню

Кисень є обов'язковою умовою життя на Землі. Він входить практично у всі біологічні сполуки, бере участь у біохімічних реакціях окислення органічних речовин, що забезпечують енергією всі процеси життєдіяльності біосфери. Кисень забезпечує дихання тварин, рослин та мікроорганізмів в атмосфері, ґрунті, воді, бере участь у хімічних реакціях окислення, що відбуваються в гірських породах, ґрунтах, мулах, водоносних горизонтах.

Основні гілки круговороту кисню:

• - утворення вільного кисню при фотосинтезі та його поглинання у процесі дихання живих організмів (рослин, тварин, мікроорганізмів в атмосфері, ґрунті, воді);
• - Утворення озонового екрану;
• - Створення окисно-відновних зональностей;
• - окислення окису вуглецю при виверженні вулканів, накопичення сульфатних осадових порід, витрата кисню у людській діяльності тощо; скрізь бере участь молекулярний кисень фотосинтезу.

Кругообіг азоту

Азот входить до складу біологічно важливих органічних речовин усіх живих організмів: білків, нуклеїнових кислот, ліпопротеїдів, ферментів, хлорофілу і т.д. Незважаючи на вміст азоту (79 %) у складі повітря, він є дефіцитним для живих організмів.

Азот у біосфері знаходиться у недоступній для організмів газоподібній формі (N2) – хімічно мало активній, тому він не може безпосередньо використовуватися вищими рослинами (і більшістю нижчих рослин) та тваринним світом. Рослини засвоюють азот із грунту як іонів амонію чи нітратних іонів, тобто. так званий фіксований азот.

Розрізняють атмосферну, промислову та біологічну фіксації азоту.

Атмосферна фіксація відбувається при іонізації атмосфери космічними променями та при сильних електричних розрядах під час гроз, при цьому з молекулярного азоту повітря утворюються оксиди азоту та аміаку, які завдяки атмосферним опадам перетворюються на амонійний, нітритний, нітратний азот та потрапляють у ґрунт.

Промислова фіксація відбувається у результаті господарську діяльність людини. Атмосфера забруднюється сполуками азоту заводами, які виробляють азотні сполуки. Гарячі викиди ТЕЦ, заводів, космічних апаратів, надзвукових літаків окислюють азот повітря. Оксиди азоту, взаємодіючи з парами води повітря з опадами повертаються на землю, потрапляють у ґрунт у іонній формі.

Біологічна фіксація грає основну роль кругообігу азоту. Її здійснюють ґрунтові бактерії:

• - азотфіксуючі бактерії (і синьо-зелені водорості);
• - мікроорганізми, що живуть у симбіозі з вищими рослинами (клубенькові бактерії);
• - амоніфікуючі;
• - нітрифікуючі;
• - Денітрифікуючі.

Вільно живуть в грунті азотфіксуючі аеробні (існуючі в присутності кисню) бактерії (Azotobacter) здатні здійснювати фіксацію молекулярного азоту атмосфери за рахунок енергії, одержуваної при окисленні органічних речовин грунту в процесі дихання, в кінцевому підсумку пов'язуючи його з воднем NH2) у складі амінокислот свого тіла. Молекулярний азот здатний фіксувати і деякі анаеробні (що живуть без кисню) бактерії, що існують у грунті (Clostridium). Відмираючи, і ті та інші мікроорганізми збагачують ґрунт органічним азотом.

До біологічної фіксації молекулярного азоту здатні і синьо-зелені водорості, особливо важливі для ґрунтів рисових полів.

Найбільш ефективно біологічна фіксація атмосферного азоту протікає у бактерій, що живуть у симбіозі в бульбах бобових рослин (клубенькові бактерії).

Ці бактерії (Rizobium) використовують енергію рослини-господаря для фіксації азоту, водночас забезпечуючи наземні органи господаря доступними йому сполуками азоту.

Засвоюючи сполуки азоту з ґрунту в нітратній та амонійній формах, рослини будують необхідні азотовмісні сполуки свого тіла (нітратний азот у клітинах рослин попередньо відновлюється). Рослини-продуценти забезпечують азотистими речовинами весь тваринний світта людство. Загиблі рослини використовуються, згідно з трофічним ланцюгом, біоредуцентами.

Амоніфікуючі мікроорганізми розкладають органічні речовини, що містять азот (амінокислоти, сечовину), з утворенням аміаку. Частина органічного азоту у ґрунті не мінералізується, а перетворюється на гумусові речовини, бітуми та компоненти осадових порід.

Аміак (у вигляді амонійного іона) може вступити до кореневої системи рослин, або використовуватись у процесах нітрифікації.

Нитрифицирующие мікроорганізми є хемосинтетиками, використовують енергію окислення аміаку до нітратів і нітритів до нітратів забезпечення всіх процесів життєдіяльності. За рахунок цієї енергії нітрифікатори відновлюють вуглекислий газ та будують органічні речовини свого тіла. Окислення аміаку при нітрифікації протікає за реакціями:

NH? + 3O? ? 2HNO? + 2H?O + 600 кДж (148 ккал).

HNO? + O? ? 2HNO? + 198 кДж (48 ккал).

Нітрати, що утворилися в процесах нітрифікації, знову надходять у біологічний кругообіг, поглинаються з ґрунту корінням рослин або після надходження з водним стоком у водні басейни-фітопланктоном та фітобентосом.

Поряд з організмами, що фіксують атмосферний азот та нітрифікують його, у біосфері існують мікроорганізми, здатні відновлювати нітрати або нітрити до молекулярного азоту. Такі мікроорганізми, які називають денітрифікаторами, при нестачі вільного кисню у водах або ґрунті використовують кисень нітратів для окислення органічних речовин:

C?H??O?(глюкоза) + 24KNO? ? 24KHCO? + 6CO? + 12N? + 18H?O + енергія

Енергія, що звільняється при цьому, служить основою всієї життєдіяльності денітрифікуючих мікроорганізмів.

Таким чином, у всіх ланках круговороту виняткову роль відіграють живі речовини.

Нині дедалі більшу роль азотному балансі грунтів і, отже, у всьому кругообігу азоту в біосфері грає промислова фіксація атмосферного азоту людиною.

Кругообіг фосфору

Кругообіг фосфору простіший. У той час як резервуар азоту служить повітря, резервуар фосфору - це гірські породи, з яких він вивільняється при ерозії.

Вуглець, кисень, водень і азот легше і швидше мігрують в атмосфері, оскільки знаходяться в газоподібній формі, утворюючи в біологічних кругообігу газоподібні сполуки. Для решти елементів, крім сірки необхідних існування живої речовини, в біологічних кругообігах нехарактерно утворення газоподібних сполук. Ці елементи мігрують в основному у вигляді іонів та молекул, розчинених у воді.

Фосфор, що засвоюється рослинами у вигляді іонів ортофосфорної кислоти, бере велику участь у життєдіяльності всіх живих організмів. Він входить до складу АДФ, АТФ, ДНК, РНК та ін сполуки.

Кругообіг фосфору в біосфері є незамкненим. У наземних біогеоценозах фосфор після поглинання рослинами із ґрунту по харчовому ланцюгу знову надходить у вигляді фосфатів у ґрунт. Основна кількість фосфору знову поглинається кореневою системою рослин. Частково фосфор може вимиватися зі стоком дощових вод із ґрунту у водні басейни.

У природних біогеоценозах часто відчувається недолік фосфору, причому в лужному та окисленому середовищі він знаходиться зазвичай у вигляді нерозчинних сполук.

Багато фосфатів містять гірські породи літосфери. Частина їх поступово перетворюється на грунт, частина розробляється людиною для фосфорних добрив, більшість вилуговується і вимивається в гидросферу. Там вони використовуються фітопланктоном та пов'язаними з ними організмами, що знаходяться на різних трофічних рівнях складних харчових ланцюгів.

У Світовому океані втрати фосфатів із біологічного круговороту відбуваються за рахунок відкладень залишків рослин та тварин на великих глибинах. Оскільки фосфор переміщується, в основному, з літосфери в гідросферу з водою, то в літосферу він мігрує біологічним шляхом (поїдання риб морськими птахами, використання бентосних водоростей та рибного борошна як добрива тощо).

Зі всіх елементів мінерального живлення рослин фосфор можна вважати дефіцитним.

Кругообіг сірки

Для живих організмів сірка відіграє велике значення, тому що вона входить до складу сірковмісних амінокислот (цистину, цистеїну, метіоніну та ін). Перебуваючи у складі білків, амінокислоти, що містять сірки, підтримують необхідну тривимірну структуру білкових молекул.

Сірка засвоюється рослинами із ґрунту тільки в окисленій формі, у вигляді іона. У рослинах сірка відновлюється та входить до складу амінокислот у вигляді сульфгідрильних (-SH) та дисульфідних (-S-S-) груп.

Тварини засвоюють лише відновлену сірку, що у складі органічних речовин. Після відмирання рослинних та тваринних організмів сірка повертається у ґрунт, де в результаті діяльності численних форм мікроорганізмів піддається перетворенням.

В аеробних умовах деякі мікроорганізми окислюють органічну сірку до сульфатів. Сульфатні іони, абсорбуючись корінням рослин, знову включаються до біологічного кругообігу. Частина сульфатів може включатися у водну міграцію та виноситися із ґрунту. У ґрунтах, багатих на гумусові речовини, значна кількість сірки знаходиться в органічних сполуках, що перешкоджає її вимиванню.

В анаеробних умовах при розкладанні органічних сполук сірки утворюється сірководень. Якщо сульфати та органічні речовини перебувають у безкисневому середовищі, то активується діяльність сульфатредукуючих бактерій. Вони використовують кисень сульфатів для окислення органічних речовин і одержують таким чином необхідну для свого існування енергію.

Сульфатредукуючі бактерії поширені в підземних водах, в мулах та застійних морських водах. Сірководень є отрутою для більшості живих організмів, тому його накопичення в залитому водою грунті, озерах, лиманах і т.д. значно знижує чи навіть повністю припиняє життєві процеси. Таке явище спостерігається у Чорному морі на глибині нижче 200 м від його поверхні.

Таким чином, для створення сприятливого середовища необхідне окислення сірководню до сульфатних іонів, що знищить шкідливу дію сірководню, сірка перейде у доступну для рослин форму - у вигляді сірчанокислих солей. Цю роль виконує у природі особлива група серобактерій (безбарвні, зелені, пурпурні) і тіонові бактерії.

Безбарвні серобактерії є хемосинтетиками: вони використовують енергію, одержувану при окисленні киснем сірководню до елементарної сірки і її окисленні до сульфатів.

Пофарбовані серобактерії є фотосинтезуючими організмами, які використовують сірководень як донор водню для відновлення вуглекислоти.

Елементарна сірка, що утворюється, у зелених сіркобактерій виділяється з клітин, у пурпурових накопичується всередині клітин.

Сумарна реакція цього процесу – фоторедукція:

СО?+ 2H?S світло? (CH?O) + H?O +2S.

Тіонові бактерії окислюють за рахунок вільного кисню елементарну сірку та її різні відновлені сполуки до сульфатів, повертаючи її знову в основне русло біологічного круговороту.

У процесах біологічного круговороту, де відбувається перетворення сірки, величезну роль грають живі організми, особливо мікроорганізми.

Головним накопичувачем сірки на нашій планеті є Світовий океан, тому що в нього з ґрунту безперервно надходять сульфат-іони. Частина сірки з океану повертається на сушу через атмосферу за схемою сірководень – окислення його до двоокису сірки – розчинення останньої у дощовій воді з утворенням сірчаної кислоти та сульфатів – повернення сірки з атмосферними опадами у ґрунтовий покрив Землі.

Кругообіг неорганічних катіонів

Життєво важливими крім основних елементів, що входять до складу живих організмів (вуглецю, кисню, водню, фосфору та сірки), є і багато інших макро-і мікроелементи - неорганічні катіони. У водних басейнах рослини одержують необхідні їм катіони металів безпосередньо з навколишнього середовища. На суші головним джерелом неорганічних катіонів служить ґрунт, який отримав їх у процесі руйнування материнських порід. У рослинах поглинені кореневими системами катіони пересуваються в листя та інші органи; деякі з них (магній, залізо, мідь та ряд інших) входять до складу біологічно важливих молекул (хлорофілу, ферментів); інші, залишаючись у вільному вигляді, беруть участь у підтримці необхідних колоїдних властивостей протоплазми клітин та виконують інші різноманітні функції.

При відмиранні живих організмів неорганічні катіони у процесі мінералізації органічних речовин повертаються у ґрунт. Втрати цих компонентів із ґрунту відбуваються в результаті вилуговування та винесення катіонів металів з дощовими водами, відторгнення та винесення органічної речовини людиною при обробітку сільськогосподарських рослин, рубанні лісу, скошуванні трав на корм худобі тощо.

Раціональне застосування мінеральних добрив, меліорація ґрунтів, внесення органічних добрив, правильна агротехніка допоможуть відновити та підтримати баланс неорганічних катіонів у біоценозах біосфери.

Антропогенний кругообіг: кругообіг ксенобіотиків (ртуті, свинцю, хрому)

Людство є частиною природи і може існувати лише у постійній взаємодії з нею.

Існують подібності та протиріччя між природним та антропогенним кругообігом речовин та енергії, що відбуваються в біосфері.

Природний (біогеохімічний) кругообіг життя має такі особливості:

• - використання сонячної енергії як джерело життя та всі її прояви на основі термодинамічних законів;
• - вона здійснюється безвідходно, тобто. всі продукти його життєдіяльності мінералізуються і знову включаються в наступний цикл круговороту речовин. При цьому поза біосфери видаляється відпрацьована, знецінена теплова енергія. При біогеохімічному кругообігу речовин утворюються відходи, тобто. запаси у вигляді кам'яного вугілля, нафти, газу та інших мінеральних ресурсів. На відміну від безвідходного природного круговороту антропогенний кругообіг супроводжується відходами, що збільшуються з кожним роком.

У природі немає нічого марного чи шкідливого, навіть від вулканічних вивержень є користь, тому що з вулканічними газами в повітря надходять необхідні елементи (наприклад, азот).

Існує закон глобального замикання біогеохімічного круговороту в біосфері, який діє на всіх етапах її розвитку, як правило збільшення замкнутості біогеохімічного круговороту в ході сукцесії.

Величезну роль біогеохімічний кругообіг надає людина, але у протилежному напрямі. Людина порушує сформовані кругообіги речовин, і в цьому проявляється його геологічна сила - руйнівна по відношенню до біосфери. В результаті антропогенної діяльності ступінь замкнутості біогеохімічних кругообігів зменшується.

Антропогенний кругообіг не обмежується енергією сонячного світла, що уловлюється зеленими рослинами планети. Людство використовує енергію палива, гідро- та атомних станцій.

Можна стверджувати, що антропогенна діяльність на етапі є величезну руйнівну для біосфери силу.

Біосфера має особливу властивість - значну стійкість по відношенню до забруднюючих речовин. Ця стійкість заснована на природній здатності різних компонентів природного середовищадо самоочищення та самовідновлення. Але не безмежно. Можлива глобальна криза викликала необхідність побудови математичної моделі біосфери як єдиного цілого (система «Гея») з метою отримання інформації про можливий стан біосфери.

Ксенобіотик – чужорідна для живих організмів речовина, що з'являється в результаті антропогенної діяльності (пестициди, препарати побутової хімії та інші забруднювачі), здатна викликати порушення біотичних процесів, у т.ч. захворювання чи загибель організму. Такі забруднювачі не піддаються біодеградації, а акумулюються у трофічних ланцюгах.

Ртуть – дуже рідкісний елемент. Вона розпорошена в земній корі і лише в небагатьох мінералах, таких як кіновар, міститься в концентрованому вигляді. Ртуть бере участь у кругообігу речовини в біосфері, мігруючи в газоподібному стані та у водних розчинах.

В атмосферу вона надходить із гідросфери при випаровуванні, при виділенні з кіноварі, з вулканічними газами та газами з термальних джерел. Частина газоподібної ртуті в атмосфері переходить у тверду фазу та видаляється з повітряного середовища. Виртутка, що випала, поглинається грунтами, особливо глинистими, водою і гірськими породами. У горючих корисних копалин - нафти та кам'яному вугіллі - ртуті міститься до 1 мг/кг. У водній масі океанів приблизно 1,6 млрд. т, у донних опадах – 500 млрд. т, у планктоні – 2 млн. т. Річковими водами щорічно з суші виноситься близько 40 тис.т, що у 10 разів менше, ніж надходить у повітря при випаровуванні (400 тис.т). На поверхню суходолу щорічно випадає близько 100 тис.т.

Ртуть із природного компонента природного середовища перетворилася на один із найбільш небезпечних для здоров'я людини техногенних викидів у біосферу. Вона широко застосовується в металургії, в хімічній, електротехнічній, електронній, целюлозно-паперовій та фармацевтичній промисловості та використовується для виробництва вибухових речовин, лаків та фарб, а також у медицині. Промислові стоки та атмосферні викиди, поряд з ртутними рудниками, заводами з виробництва ртуті та теплоенергетичними підприємствами (ТЕЦ та котельні), що використовують вугілля, нафту та нафтопродукти, є основними джерелами забруднення біосфери цим токсичним компонентом. Крім того, ртуть входить до складу ртутьорганічних пестицидів, що використовуються в сільському господарстві для протруювання насіння та захисту культур від шкідників. В організм людини потрапляє із продуктами харчування (яйця, протруєне зерно, м'ясо тварин та птахів, молоко, риба).

Ртуть у воді та донних відкладах річок

Встановлено, що близько 80 % ртуті, що надходить у природні водоймища, перебуває у розчиненій формі, що зрештою сприяє її поширенню великі відстані разом із потоками води. Чистий елемент не є токсичним.

Ртуть міститься у воді придонного мулу частіше у відносно нешкідливих концентраціях. Неорганічні сполуки ртуті перетворюються на токсичні органічні сполуки ртуті, такі як метилртуть CH?Hg і етилртуть C?H?Hg, завдяки бактеріям, що живуть в детритах і опадах, в донному мулі озер і річок, слизу, що покриває тіла риб, а також в слизу риб'ячого шлунка. Ці сполуки легко розчиняються, рухливі та дуже отруйні. Хімічною основою агресивної дії ртуті є її спорідненість із сіркою, зокрема із сірководневою групою в білках. Ці молекули зв'язуються з хромосомами та клітинами головного мозку. Риби та молюски можуть накопичувати їх до концентрацій небезпечних для людини, яка вживає їх у їжу, викликаючи хворобу "Мінамата".

Металева ртуть та її неорганічні сполуки діють, в основному, на печінку, нирки та кишечник, однак у звичайних умовах порівняно швидко виводяться з організму і небезпечна для організму людини кількість не встигає накопичитися. Метилртуть та інші алкільні сполуки ртуті є набагато небезпечнішими, тому що відбувається кумуляція - токсин надходить в організм швидше, ніж виводиться з організму, діючи на центральну нервову систему.

Донні відкладення є важливою характеристикою водних екосистем. Акумулюючи важкі метали, радіонукліди та високотоксичні органічні речовини, донні відкладення, з одного боку, сприяють самоочищенню водних середовищ, а з іншого - є постійним джерелом вторинного забруднення водойм. Донні відкладення - перспективний об'єкт аналізу, що відбиває багаторічну картину забруднення (особливо малопроточних водоймах). Причому накопичення неорганічної ртуті у донних відкладах спостерігається особливо у гирлах річок. Може виникнути напружена ситуація, коли адсорбційна здатність відкладень (мулу, опадів) буде вичерпана. Коли буде досягнуто адсорбційної ємності, важкі метали, в т.ч. ртуть почнуть надходити у воду.

Відомо, що в морських анаеробних умовах у відкладеннях відмерлих водоростей ртуть приєднує водень і переходить у леткі сполуки.

За участю мікроорганізмів може метилюватись у дві стадії металева ртуть:

CH?Hg+? (CH?)? Hg

Метилртуть у навколишньому середовищі з'являється практично при метилюванні неорганічної ртуті.

Біологічний період напіввиведення ртуті великий, він становить більшість тканин організму людини 70-80 днів.

Відомо, що на початку харчового ланцюжка відбувається забруднення ртуттю великих риб, наприклад меч-риби, тунця. Не безцікаво при цьому відзначити, що ще більшою мірою, ніж у рибах, ртуть накопичується (акумулюється) в устрицях.

Ртуть потрапляє в організм людини при диханні, з їжею та через шкіру за наступною схемою:

По-перше, відбувається трансформація ртуті. Цей елемент зустрічається у природі у кількох формах.

Металева ртуть, що застосовується в термометрах, та її неорганічні солі (наприклад, хлорид) виводяться з організму порівняно швидко.

Набагато отруйні алкільні сполуки ртуті, зокрема метил- та етилртуть. Ці сполуки дуже повільно виводяться з організму - за добу лише близько 1% загальної кількості. Хоча більша частина ртуті, що потрапляє в природні води, міститься там у вигляді неорганічних сполук, у рибі вона завжди виявляється у формі отруйної метилртуті. Бактерії в донному мулі озер і річок, у слизу, що покриває тіла риб, а також у слизу риб'ячого шлунка здатні перетворювати неорганічні сполуки ртуті на метилртуть.

По-друге, вибіркове накопичення, або біологічне накопичення (концентрування), підвищує вміст ртуті в рибі та молюсках до рівнів у багато разів вище, ніж у воді затоки. Риби та молюски, що мешкають у річці, накопичують метилртуть до концентрацій, небезпечних для людини, яка використовує їх у їжу.

% світового вилову риби містить ртуть у кількості трохи більше 0,5 мг/кг, а 95% - нижче 0,3 мг/кг. Майже вся ртуть у рибі знаходиться у вигляді метилртуті.

Враховуючи різну токсичність ртутних сполук для людини в харчових продуктах, необхідно визначати неорганічну (загальну) та органічно пов'язану ртуть. У нас визначається лише загальний зміст ртуті. За медико-біологічними вимогами вміст ртуті у прісноводній хижій рибі допускається 0,6 мг/кг, у морській - 0,4 мг/кг, у прісноводній не хижій лише 0,3 мг/кг, а в тунцях до 0,7 мг/кг кг. У продуктах дитячого харчуваннявміст ртуті не повинен перевищувати 0,02 мг/кг у м'ясних консервах, 0,15 мг/кг у рибних консервах, у решті – 0,01 мг/кг.

Свинець є практично у всіх компонентах природного середовища. У земній корі міститься 0,0016 %. Природний рівень свинцю атмосфері 0,0005 мг/м3. Більшість його осідає з пилом, приблизно 40 % випадає з атмосферними опадами. Рослини отримують свинець із ґрунту, води та атмосферних випадень, а тварини - споживаючи рослини та воду. В організм людини метал потрапляє разом із їжею, водою та пилом.

Основним джерелом забруднення біосфери свинцем є бензинові двигуни, вихлопні гази яких містять триетилсвинець, теплоенергетичні підприємства, що спалюють кам'яне вугілля, гірничодобувна, металургійна та хімічна промисловість. Значна кількість свинцю вноситься в ґрунт разом зі стічними водами, що використовуються як добрива. Для гасіння палаючого реактора Чорнобильської АЕС також використовувався свинець, який надійшов у повітряний басейн та розсіявся на великих територіях. При збільшенні забруднення навколишнього середовища свинцем зростає його відкладення у кістках, волоссі, печінці.

Хром. Найбільш небезпечний токсичний хром (6+), який мобілізується в кислих та лужних ґрунтах, у прісних та морських водах. У морській водіхром на 10 – 20 % представлений формою Cr (3+), на 25 – 40 % – Cr (6+), на 45 – 65 % – органічною формою. В інтервалі рН 5 – 7 переважає Cr (3+), а при рН > 7 – Cr (6+). Відомо, що Cr (6+) та органічні сполуки хрому не співсаджуються з гідроксидом заліза в морській воді.

Природні кругообіги речовин є практично замкнутими. У природних екосистемах речовина та енергія витрачаються економно і відходи одних організмів є важливою умовою існування інших. Антропогенний кругообіг речовин супроводжується величезною витратою природних ресурсів і великою кількістю відходів, що викликають забруднення навколишнього середовища. Створення навіть найдосконаліших очисних споруд не вирішує проблему, тому необхідно розробляти мало- і безвідходні технології, що дозволяють зробити якомога замкненішим антропогенний кругообіг. Теоретично можна створити безвідходну технологію, проте реальні маловідходні технології.

Адаптація до природних явищ

Адаптації - різні пристосування до довкілля, вироблені в організмів (від найпростіших до вищих) у процесі еволюції. Здатність до адаптації - одна з основних властивостей живих, які забезпечують можливість існування.

До основних факторів, що розвивають процес адаптації, належать: спадковість, мінливість, природний (і штучний) відбір.

Толерантність може змінитися, якщо організм потрапляє до інших зовнішніх умов. Потрапляючи в такі умови, він через деякий час звикає, адаптується до них (від лат. адаптації - пристосовувати). Наслідком є ​​зміна положень фізіологічного оптимуму.

Властивість організмів адаптуватися до існування у тому чи іншому діапазоні екологічного фактораназивається екологічною пластичністю.

Чим ширший діапазон екологічного фактора, в межах якого цей організм може жити, тим більша його екологічна пластичність. За ступенем пластичності виділяють два типи організмів: стенобіонтні (стіноекі) та еврибіонтні (евріеки). Отже, стенобионты екологічно непластичні (наприклад, камбала живе лише у солоній воді, а карась лише у прісної), тобто. маловитривалі, а еврибіонти екологічно пластичні, тобто. більш витривалі (наприклад, триголка колюшка може жити як у прісних, так і в солоних водах).

Адаптації багатовимірні, оскільки організм повинен одночасно відповідати багатьом різним чинникам довкілля.

Існує три основні шляхи пристосування організмів до умов довкілля: активний; пасивний; уникнення несприятливих впливів.

Активний шлях адаптації – посилення опірності, розвиток регуляторних процесів, що дозволяють здійснювати всі життєві функції організму, незважаючи на відхилення фактора від оптимуму. Наприклад, теплокровні тварини підтримують постійну температуру тіла - оптимальну для біохімічних процесів, які у ньому.

Пасивний шлях адаптації - підпорядкування життєвих функцій організмів зміни чинників середовища. Наприклад, за несприятливих умов середовища багато організмів переходять у стан анабіозу ( прихованого життя), при якому практично зупиняється обмін речовин в організмі (стан зимового спокою, заціпеніння комах, сплячка, збереження спор у ґрунті у вигляді спор та насіння).

Уникнення несприятливих впливів - вироблення пристроїв, поведінки організмів (адаптації), які допомагають уникнути несприятливих умов. При цьому адаптації можуть бути: морфологічні (змінюється будова організму: видозміна листя у кактуса), фізіологічні (верблюд забезпечує себе вологою за рахунок окислення запасів жиру), етологічні (зміни поведінки: сезонні міграції птахів, сплячка взимку).

Живі організми добре адаптовані до періодичних факторів. Неперіодичні фактори можуть спричинити хвороби і навіть смерть організму (наприклад, лікарські препарати, отрутохімікати). Однак за тривалого їх впливу також може виникнути адаптація до них.

Організми адаптувалися до добової, сезонної, припливно-відливної ритміків, ритмів сонячної активності, місячних фаз та інших строго періодичних явищ. Так, сезонну адаптацію розрізняють як сезонність у природі та стан зимового спокою.

Сезонність у природі. Провідним значенням для рослин та тварин при пристосуванні організмів є річний перебіг температури. Період, сприятливий для життя, в середньому для нашої країни, триває близько шести місяців (весна, літо). Ще до приходу стійких морозів у природі настає період зимового спокою.

Стан зимового спокою. Зимовий спокій не просто зупинка розвитку в результаті низьких температур, а складне фізіологічне пристосування, причому наступає лише певної стадії розвитку. Наприклад, малярійний комар і метелик-кропив'янка зимують у стадії дорослої комахи, метелик-капустянка - у стадії лялечки, непарний шовкопряд - у стадії яйця.

Біоритми. У кожного виду в процесі еволюції виробився характерний річний цикл інтенсивного зростання та розвитку, розмноження, підготовки до зими та зимівлі. Це явище отримало назву біологічного ритму. Збіг кожного періоду життєвого циклу з відповідним часом року має вирішальне значення для існування виду.

Головним фактором регуляції сезонних циклів у більшості рослин та тварин є зміна тривалості дня.

Біоритми бувають:

екзогенні (зовнішні) ритми (виникають як реакція на періодичні зміни середовища (зміну дня та ночі, сезонів, сонячної активності)) ендогенні (внутрішні ритми) генеруються самим організмом

У свою чергу ендогенні поділяються на:

Фізіологічні ритми (биття серця, дихання, робота залоз внутрішньої секреції, синтез ДНК, РНК, білків, робота ферментів, поділ клітин та ін.)

Екологічні ритми (добові, річні, приливні, місячні та ін.)

Ритмічність мають процеси синтезу ДНК, РНК, білків, поділ клітин, биття серця, дихання тощо. Зовнішні впливи можуть зрушувати фази цих ритмів та змінювати їхню амплітуду.

Фізіологічні ритми варіюють залежно від стану організму, екологічні – більш стабільні та відповідають зовнішнім ритмам. При ендогенних ритмах організм може орієнтуватися в часі і заздалегідь готуватися до змін середовища - це біологічний годинник організму. Багатьом живим організмам властиві циркадні та цирканні ритми.

Циркадні ритми (цілодобові) - інтенсивності, що повторюються, і характеру біологічних процесів і явищ з періодом від 20 до 28 годин. Циркадні ритми пов'язані з активністю тварин та рослин протягом доби і, як правило, залежать від температури та інтенсивності світла. Наприклад, кажани літають у сутінки і відпочивають вдень, багато планктонних організмів уночі тримаються біля поверхні води, а вдень спускаються в глибину.

З впливом світла – фотоперіодом – пов'язані сезонні біологічні ритми. Реакція організмів на тривалість дня отримала назву фотоперіодизму. Фотоперіодизм - це загальне важливе пристосування, що регулює сезонні явища у різних організмів. Вивчення фотоперіодизму рослин та тварин показало, що реакція організмів на світ заснована на чергуванні протягом доби періодів світла та темряви певної тривалості. Реакція організмів (від одноклітинних до людини) на тривалість дня й ночі показує, що вони здатні вимірювати час, тобто. мають якийсь біологічний годинник. Біологічний годинник, крім сезонних циклів, керує багатьма іншими біологічними явищами, визначає правильний добовий ритм як активності цілих організмів, так і процесів, що відбуваються навіть на рівні клітин, зокрема клітинних поділів.

Універсальною властивістю всього живого, від вірусів і мікроорганізмів до вищих рослин і тварин, є здатність давати мутації - раптові, природні і штучно штучні, що успадковуються зміни генетичного матеріалу, що призводять до зміни тих чи інших ознак організму. Мутаційна мінливість не відповідає умовам навколишнього середовища та, як правило, порушує існуючі адаптації.

Впадають у діапаузу (тривала зупинка у розвитку) багато комах на певній стадії розвитку, яку не треба плутати зі станом спокою в несприятливих умовах. На розмноження багатьох морських тварин впливають місячні ритми.

Цирканні (окологодичні) ритми - повторювані зміни інтенсивності та характеру біологічних процесів та явищ з періодом від 10 до 13 місяців.

Фізичний та психологічний стан людини також має ритмічний характер.

Порушений ритм праці та відпочинку знижує працездатність та надає несприятливий вплив на здоров'я людини. Стан людини в екстремальних умовбуде залежати від ступеня підготовленості його до цих умов, оскільки часу на адаптацію та відновлення практично немає.

Усі речовини планети перебувають у процесі круговороту. Сонячна енергія викликає на Землі два круговороти речовин: великий (геологічний, біосферний)і малі (біологічні).

Великий кругообіг речовин у біосфері характеризується двома важливими моментами: він здійснюється протягом усього геологічного розвитку Землі і є сучасним планетарним процесом, що бере участь у подальшому розвитку біосфери.

Геологічний кругообіг пов'язаний з утворенням та руйнуванням гірських порід та подальшим переміщенням продуктів руйнування - уламкового матеріалу та хімічних елементів. Значну роль у цих процесах відігравали і продовжують відігравати термічні властивості поверхні суші та води: поглинання та відбиття сонячних променів, теплопровідність та теплоємність. Нестійкий гідротермічний режим поверхні Землі разом із планетарною системою циркуляції атмосфери зумовлював геологічний кругообіг речовин, який на початковому етапі розвитку Землі, поряд з ендогенними процесами, був пов'язаний із формуванням континентів, океанів та сучасних геосфер. З становленням біосфери у великий кругообіг включилися продукти життєдіяльності організмів. Геологічний кругообіг постачає живим організмам елементи живлення та багато в чому визначає умови їх існування.

Головні хімічні елементилітосфери: кисень, кремній, алюміній, залізо, магній, натрій, калій та інші – беруть участь у великому кругообігу, проходячи від глибинних частин верхньої мантії до поверхні літосфери. Магматична порода, що виникла при кристалізації

магми, надійшовши поверхню літосфери з глибин Землі, піддається розкладанню, вивітрюванню у сфері біосфери. Продукти вивітрювання переходять у рухомий стан, зносяться водами, вітром у знижені місця рельєфу, потрапляють у річки, океан та утворюють потужні товщі осадових порід, які згодом, занурюючись на глибину в областях з підвищеною температурою та тиском, піддаються метаморфозу, тобто. "переплавляються". При цій переплавці виникає нова метаморфічна порода, що надходить у верхні горизонти земної кори і знову входить у кругообіг речовин (Рис. 32).

Мал. 32. Геологічний (великий) кругообіг речовин

Найбільш інтенсивному і швидкому кругообігу піддаються легкорухливі речовини - гази та природні води, що становлять атмосферу та гідросферу планети. Значно повільніше робить кругообіг матеріал літосфери. Загалом кожен кругообіг будь-якого хімічного елемента є частиною загального великого круговороту речовин на Землі, і всі вони тісно пов'язані між собою. Жива речовина біосфери у цьому кругообігу виконує величезну роботу з перерозподілу хімічних елементів, безперервно циркулюючих у біосфері, переходячи із довкілля в організми і знову у довкілля.

Малий, або біологічний, кругообіг речовин- це

циркуляція речовин між рослинами, тваринами, грибами, мікроорганізмами та ґрунтом. Суть біологічного круговороту полягає у перебігу двох протилежних, але взаємопов'язаних процесів – створення органічних речовин та їх руйнування. Початковий етап виникнення органічних речовин зумовлений фотосинтезом зелених рослин, тобто утворенням живої речовини з вуглекислого газу, води та простих мінеральних сполук з використанням енергії Сонця. Рослини (продуценти) вилучають із ґрунту в розчині молекули сірки, фосфору, кальцію, калію, магнію, марганцю, кремнію, алюмінію, цинку, міді та інших елементів. Рослинноядні тварини (консументи I порядку) поглинають сполуки цих елементів у вигляді їжі рослинного походження. Хижаки (консументи II порядку) харчуються рослиноїдними тваринами, споживаючи їжу складнішого складу, що включає білки, жири, амінокислоти та інші речовини. У процесі руйнування мікроорганізмами (редуцентами) органічних речовин відмерлих рослин і останків тварин, у ґрунт і водне середовище надходять прості мінеральні сполуки, доступні для засвоєння рослин, і починається наступний виток біологічного круговороту (Рис. 33).

Малий (біологічний) кругообіг

Маса живої речовини біосфери порівняно мала. Якщо її розподілити по земній поверхні, то вийти шар лише 1,5 див. У таблиці 4.1 зіставлені деякі кількісні властивості біосфери та інших геосфер Землі. Біосфера, складаючи менше 10-6 маси інших оболонок планети, має незрівнянно велику різноманітність і оновлює свій склад у мільйон разів швидше.

Таблиця 4.1

Порівняння біосфери з іншими геосферами Землі

*Жива речовина в розрахунку на живу вагу

4.4.1. Функції біосфери

Завдяки біоті біосфери здійснюється переважна частина хімічних перетворень планети. Звідси судження В.І. Вернадського про величезну перетворюючу геологічну роль живої речовини. Протягом органічної еволюції живі організми тисячоразово (для різних кругообігів від 103 до 105 разів) пропустили через себе, через свої органи, тканини, клітини, кров усю атмосферу, весь обсяг Світового океану, більшу частину маси ґрунтів, величезну масу мінеральних речовин. І не тільки пропустили, а й відповідно до своїх потреб видозмінили земне середовище.

Завдяки здатності трансформувати сонячну енергію в енергію хімічних зв'язків рослини та інші організми виконують низку фундаментальних біогеохімічних функцій планетарного масштабу.

Газова функція. Живі істоти постійно обмінюються киснем та вуглекислим газом із навколишнім середовищем у процесах фотосинтезу та дихання. Рослини відіграли вирішальну роль у зміні відновного середовища на окислювальну в геохімічній еволюції планети та у формуванні газового складу сучасної атмосфери. Рослини суворо контролюють концентрації О2 та СО2, оптимальні для сукупності всіх сучасних живих організмів.

Концентраційна функція. Пропускаючи через своє тіло великі обсяги повітря та природних розчинів, живі організми здійснюють біогенну міграцію (рух хімічних речовин) та концентрування хімічних елементів та їх сполук. Це відноситься до біосинтезу органіки, утворення коралових островів, будівництво раковин і скелетів, поява товщ осадових вапняків, родовищ деяких металевих руд, скупчення залізно-марганцевих конкрецій, на дні океану і т. д. Ранні етапи біологічної еволюції проходили в водному середовищі. Організми навчилися вилучати з розбавленого водного розчину необхідні їм речовини, багаторазово збільшуючи їх концентрацію у своєму тілі.

Окисно – відновна функція живої речовини тісно пов'язана з біогенною міграцією елементів та концентруванням речовин. Багато речовин у природі стійкі і піддаються окисленню за звичайних умов, наприклад, молекулярний азот – одне із найважливіших біогенних елементів. Але живі клітини мають настільки потужні каталізатори – ферменти, що здатні здійснювати багато окислювально-відновних реакцій у мільйони разів швидше, ніж це може відбуватися в абіотичному середовищі.

Інформаційна функція живої речовини біосфери. Саме з появою перших примітивних живих істот на планеті з'явилася і активна (жива) інформація, що відрізняється від тієї мертвої інформації, яка є простим відображенням структури. Організми виявилися здатними для отримання інформації шляхом з'єднання потоку енергії з активною молекулярною структурою, що грає роль програми. Здатність сприймати, зберігати та переробляти молекулярну інформацію здійснила випереджальну еволюцію в природі і стала найважливішим екологічним системоутворюючим фактором. Сумарний запас генетичної інформації біоти оцінюється у 1015 біт. Загальна потужність потоку молекулярної інформації, пов'язаної з обміном речовин та енергії у всіх клітинах глобальної біоти досягає 1036 біт/с (Горшков та ін, 1996).

4.4.2. Складові біологічного круговороту.

Біологічний кругообіг здійснюється між усіма складовими біосфери (тобто між ґрунтом, повітрям, водою, тваринами, мікроорганізмами тощо). Він відбувається за обов'язкової участі живих організмів.

Сонячне випромінювання, що досягає біосфери, несе в собі енергію близько 2,5*1024 Дж на рік. Тільки 0,3% її безпосередньо перетворюється на процесі фотосинтезу в енергію хімічних зв'язків органічних речовин, тобто. залучається до біологічного кругообігу. А 0,1 - 0,2% сонячної енергії, що падає на Землю, виявляється укладеною в чистій первинній продукції. Подальша доляЦя енергія пов'язана з передачею органічної речовини їжі по каскадах трофічних ланцюгів.

Біологічний кругообіг умовно можна розділити на взаємопов'язані складові: кругообіг речовин і енергетичний кругообіг.

4.4.3. Енергетичний кругообіг. Трансформація енергії у біосфері

Екосистему можна описати як сукупність живих організмів, які безперервно обмінюються енергією, речовиною, інформацією. Енергію можна визначити як здатність виконувати роботу. Властивості енергії, у тому числі рух енергії в екосистемах, описуються законами термодинаміки.

Перший закон термодинаміки або закон збереження енергії стверджує, що енергія не зникає і не створюється заново, вона лише переходить із однієї форми до іншої.

Другий закон термодинаміки стверджує, що у замкнутій системі ентропія може лише зростати. Стосовно енергії в екосистемах зручне наступне формулювання: процеси, пов'язані з перетворенням енергії, можуть відбуватися мимовільно лише за умови, що енергія переходить із концентрованої форми на розсіяну, тобто деградує. Міра кількості енергії, яка стає недоступною для використання, або інакше міра зміни упорядкованості, що відбувається при деградації енергії, є ентропією. Чим вища упорядкованість системи, тим менша її ентропія.

Іншими словами, жива речовина отримує і трансформує енергію космосу, сонця в енергію земних процесів (хімічну, механічну, теплову, електричну). Залучає цю енергію та неорганічну матерію в безперервний кругообіг речовин у біосфері. Потік енергії у біосфері має один напрямок – від Сонця через рослини (автотрофи) до тварин (гетеротрофи). Природні незаймані екосистеми у стійкому стані з постійними найважливішими екологічними показниками (гомеостаз) є найбільш упорядкованими системами і характеризуються найменшою ентропією.

4.4.4. Кругообіг речовин у живій природі

Утворення живої речовини та її розкладання – дві сторони єдиного процесу, що називається біологічним кругообігом хімічних елементів. Життя – кругообіг хімічних елементів між організмами та середовищем.

Причина круговороту – обмеженість елементів, у тому числі будуються тіла організмів. Кожен організм витягує з навколишнього середовища необхідні життєдіяльності речовини і повертає невикористані. При цьому:

одні організми споживають мінеральні речовини безпосередньо з довкілля;

інші використовують продукти, перероблені та виділені першими;

треті – другими тощо, доки речовини не повернуться у довкілля у початковому стані.

У біосфері очевидна необхідність співіснування різних організмів, здатних використовувати продукти життєдіяльності одне одного. Ми бачимо практично безвідходне біологічне виробництво.

Кругообіг речовин у живих організмах умовно можна звести до чотирьох процесів:

1.Фотосинтез. В результаті фотосинтезу рослини засвоюють та акумулюють сонячну енергію та синтезують з неорганічних речовин органічні речовини – первинну біологічну продукцію – та кисень. Первинна біологічна продукція відрізняється великою різноманітністю – містить вуглеводи (глюкозу), крохмаль, клітковину, білки, жири.

Схема фотосинтезу найпростішого вуглеводу (глюкози) має таку схему:

Цей процес протікає лише вдень та супроводжується збільшенням маси рослин.

На Землі щорічно в результаті фотосинтезу утворюється близько 100 млрд т органічної речовини, засвоюється близько 200 млрд т вуглекислого газу, виділяється приблизно 145 млрд т кисню.

Фотосинтезу належить вирішальна роль забезпеченні існування життя Землі. Його глобальне значення пояснюється тим, що фотосинтез є єдиним процесом, під час якого енергія в термодинамічному процесі згідно з мінімалістським принципом не розсіюється, а навпаки – накопичується.

Синтезуючи необхідні для побудови амінокислотних білків, рослини можуть існувати відносно незалежно від інших живих організмів. У цьому виявляється автотрофність рослин (самостійність у харчуванні). У той самий час зелена маса рослин і кисень, що утворюється у процесі фотосинтезу, є основою підтримки життя наступної групи живих організмів – тварин, мікроорганізмів. У цьому вся проявляється гетеротрофність цієї групи організмів.

2. Дихання. Процес зворотного фотосинтезу. Відбувається у всіх живих клітинах. При диханні органічна речовина окислюється киснем, у результаті утворюється вуглекислий газ, вода та виділяється енергія.

3. Харчові (трофічні) зв'язки між автотрофними та гетеротрофними організмами. В даному випадку відбувається перенесення енергії та речовини за ланками харчового ланцюга, які докладніше були нами розглянуті раніше.

4. Процес транспірації. Один із найважливіших процесів у біологічному кругообігу.

Схематично його можна описати в такий спосіб. Рослини поглинають ґрунтову вологу корінням. При цьому в них надходять розчинені у воді мінеральні речовини, які засвоюються, а волога більш менш інтенсивно випаровується в залежності від умов середовища.

4.4.5. Біогеохімічні цикли

Геологічний та біологічний кругообіг пов'язані – вони існують як єдиний процес, народжуючи циркуляцію речовин, так звані біогеохімічні цикли (БГХЦ). Цей кругообіг елементів обумовлений синтезом і розпадом органічних речовин в екосистемі (рис.4.1) У БГХЦ задіяні не всі елементи біосфери, а лише біогенні. З них складаються живі організми, ці елементи вступають у численні реакції та беруть участь у процесах, що протікають у живих організмах. У відсотковому співвідношенні сукупна маса живої речовини біосфери складається з таких основних біогенних елементів: кисню – 70%, вуглецю – 18%, водню – 10,5%, кальцію – 0,5%, калію – 0,3%, азот – 0, 3% (кисень, водень, азот, вуглець присутні у всіх ландшафтах і є основою живих організмів – 98%).

Сутність біогенної міграції хімічних елементів.

Таким чином, у біосфері мають місце біогенний кругообіг речовин (тобто кругообіг, викликаний життєдіяльністю організмів) і односпрямований потік енергії. Біогенна міграція хімічних елементів визначається переважно двома протилежними процесами:

1. Утворення живої речовини з елементів довкілля з допомогою сонячної енергії.

2. Руйнування органічних речовин, що супроводжується виділенням енергії. При цьому елементи мінеральних речовин багаторазово потрапляють у живі організми, входячи тим самим до складу складних органічних сполук, форм, а потім при руйнуванні останніх знову набувають мінеральної форми.

Існують елементи, що входять до складу живих організмів, але не належать до біогенних. Такі елементи класифікуються за їхньою ваговою часткою в організмах:

Макроелементи – складові щонайменше 10-2% маси;

Мікроелементи - складові від 9 * 10-3 до 1 * 10-3% маси;

Ультрамікроелементи - менше 9 * 10-6% маси;

Щоб визначити місце біогенних елементів серед інших хімічних елементів біосфери, розглянемо класифікацію, прийняту в екології. За активністю в процесах, що протікають в біосфері, всі хімічні елементи ділять на 6 груп:

Шляхетні гази – гелій, неон, аргон, криптон, ксенон. Інертні гази до складу живих організмів не входять.

Шляхетні метали – рутеній, радій, паладій, осмій, іридій, платина, золото. Ці метали майже не створюють сполук у земній корі.

Циклічні чи біогенні елементи (їх ще називають міграційними). Цю групу біогенних елементів у земної корі припадає 99,7% всієї маси, але в інші 5 груп – 0,3%. Таким чином, основна маса елементів – це мігранти, які здійснюють кругообіг у географічній оболонціа частина інертних елементів дуже мала.

Розсіяні елементи, що характеризуються переважанням вільних атомів. Вступають у хімічні реакції, та їх сполуки рідко зустрічаються у земної корі. Поділяються на дві підгрупи. Перша – рубідій, цезій, ніобій, тантал – створюють сполуки у глибинах земної кори, але в поверхні їх мінерали руйнуються. Друга – йод, бром – вступають у реакції лише з поверхні.

Радіоактивні елементи – полоній, радон, радій, уран, нептуній, плутоній.

Рідкоземельні елементи – ітрій, самарій, європій, тулій тощо.

Цілорічно біохімічні цикли надають руху близько 480 млрд. т. речовини.

В.І. Вернадський сформулював три біогеохімічні принципи, які пояснюють сутність біогенної міграції хімічних елементів:

Біогенна міграція хімічних елементів у біосфері завжди прагне максимального прояву.

Еволюція видів у ході геологічного часу, що веде до створення стійких форм життя, йде у напрямку, що посилює біогенну міграцію атомів.

Жива речовина знаходиться в безперервному хімічному обміні з навколишнім середовищем, що є фактором, що відтворює та підтримує біосферу.

Розглянемо, як рухаються у біосфері деякі з цих елементів.

Кругообіг вуглецю. Головним учасником біотичного кругообігу є вуглець як основа органічних речовин. Переважно кругообіг вуглецю відбувається між живою речовиною та вуглекислим газом атмосфери в процесі фотосинтезу. З їжею його одержують травоїдні, від травоїдних – хижаки. При диханні, гниття вуглекислий газ частково повертається в атмосферу, повернення відбувається при спалюванні корисних копалин органічних.

За відсутності повернення вуглецю в атмосферу він був би витрачений зеленими рослинами за 7-8 років. Швидкість біологічного обігу вуглецю через фотосинтез – 300 років. Світовий океан відіграє велику роль у регулюванні вмісту СО2 в атмосфері. Якщо в атмосфері підвищується вміст СО2, частина розчиняється у воді, вступаючи в реакцію з карбонатом кальцію.

Кругообіг кисню.

Кисень має високу хімічну активність, вступає в сполуки практично з усіма елементами земної кори. Зустрічається переважно як сполук. Кожен четвертий атом живої речовини – атом кисню. Майже весь молекулярний кисень в атмосфері виник і підтримується постійно завдяки діяльності зелених рослин. Кисень атмосфери, зв'язуючись при диханні та звільняючись при фотосинтезі, проходить через усі живі організми за 200 років.

Кругообіг азоту. Азот є складовою всіх білків. Загальне відношення зв'язаного азоту як елемента, що становить органічну речовину, до азоту в природі дорівнює 1:100000. Енергія хімічного зв'язку у молекулі азоту дуже велика. Тому з'єднання азоту коїться з іншими елементами – киснем, воднем (процес азотофиксации) – вимагає великих витрат енергії. Промислова фіксація азоту йде в присутності каталізаторів при температурі -500оС та тиску -300 атм.

Як відомо, атмосфера містить понад 78% молекулярного азоту, але в такому стані він не доступний зеленим рослинам. Для свого харчування рослини можуть використовувати лише солі азотної та азотистої кислот. Які шляхи утворення цих солей? Ось деякі з них:

У біосфері фіксація азоту здійснюється декількома групами анаеробних бактерій та ціанобактерій при нормальній температурі та тиску завдяки високій ефективності біокаталізу. Вважається, що бактерії переводять у пов'язану форму приблизно 1 млрд. т азоту на рік (світовий обсяг промислової фіксації – близько 90 млн. т).

Ґрунтові азотофіксуючі бактерії здатні засвоювати молекулярний азот із повітря. Вони збагачують ґрунт азотистими сполуками, тому їхнє значення надзвичайно велике.

В результаті розкладання азотовмісних сполук органічних речовин рослинного та тваринного походження.

Під дією бактерій азот перетворюється на нітрати, нітрити, амонійні сполуки. У рослинах сполуки азоту беруть участь у синтезі білкових сполук, які у ланцюгах живлення передаються від організму до організму.

Кругообіг фосфору. Ще одним важливим елементом без якого неможливий синтез білків є фосфор. Основні джерела – вивержені породи (апатити) та осадові породи (фосфорити).

Неорганічний фосфор залучається до кругообігу внаслідок природних процесів вилуговування. Фосфор засвоюється живими організмами, які з його участі синтезують ряд органічних сполук і передають різні трофічні рівні.

Закінчивши свій шлях по трофічним ланцюгам, органічні фосфати розкладаються мікробами і перетворюються на мінеральні фосфати, доступні для зелених рослин.

У процесі біологічного круговороту, що забезпечує рух речовини та енергії, немає місця накопиченню відходів. Продукти життєдіяльності (тобто відходи) кожної форми життя є живильним середовищем для інших організмів.

Теоретично в біосфері завжди повинен підтримуватись баланс між продукуванням біомаси та її розкладанням. Однак у окремі геологічні періоди збалансованість біологічного круговороту порушувалася, коли через певні природні умови, катаклізмів не вся біологічна продукція засвоювалася, трансформувалася. У цих випадках утворювалися надлишки біологічної продукції, які консервувалися та відкладалися у земній корі, під товщею води, наносів, опинялися у зоні вічної мерзлоти. Так сформувалися поклади кам'яного вугілля, нафти, газу, вапняку. Слід зазначити, що вони не засмічують біосферу. В органічних з корисними копалинами сконцентрувалася енергія Сонця, накопичена у процесі фотосинтезу. Зараз, спалюючи органічні горючі корисні копалини, людина вивільняє цю енергію.

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 та верхня частина літосфери 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 засвоєння хімічних речовин часто 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 шляхом синтезу біогенних мінералів — скелетів мікроорганізмів — з природних ресурсів — вод океану, морів і озер. Пухкі водянисті опади в міру їх ізоляції на дні водойм новими порціями осадового матеріалу, занурення на глибину, попадання в нові термодинамічні умови (вищі температури і тиску) втрачають воду, тверднуть, перетворюючись при цьому на 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 сушею 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 кліматичних поясах — 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 складають енергія Сонця та хлорофіл зелених рослин. Інші найважливіші кругообіги — води, вуглецю, азоту, фосфору та 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 циклчерез живі організми приблизно 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 рослини та 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 водоростях I: 6. Біологічний цикл азоту тому також тісно пов'язаний з вуглецевим.

Молекулярний азот атмосфери недоступний рослинам, які можуть засвоювати цей елемент тільки у вигляді іонів амонію, нітратів або ґрунтових або водних розчинів. Тому недолік азоту часто є фактором, що лімітує первинну продукцію- роботу організмів, пов'язану зі створенням органічних речовин із 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 спектром бактерій. 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 кількості сульфатів 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, у якій відбуваються різні круговороти 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 різних факторів, що впливають на неї, 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 прикладом штучної екосистеми 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

Великий кругообіг речовин у природіобумовлений взаємодією сонячної енергії з глибинною енергією Землі та здійснює перерозподіл речовини між біосферою та глибшими горизонтами Землі.

Осадові гірські породи, утворені за рахунок вивітрювання магматичних порід, у рухомих зонах земної кори знову занурюються в зону високих температур та тисків. Там вони переплавляються та утворюють магму – джерело нових магматичних порід. Після підняття цих порід на земну поверхню та дії процесів вивітрювання знову відбувається трансформація їх у нові осадові породи. Новий цикл круговороту не повторює точно старий, а вносить щось нове, що з часом призводить до значних змін.

Рухаючою силою великого (геологічного) круговоротує екзогенні та ендогеннігеологічні процеси

Ендогенні процеси(Процеси внутрішньої динаміки) відбуваються під впливом внутрішньої енергії Землі, що виділяється в результаті радіоактивного розпаду, хімічних реакцій утворення мінералів, кристалізації гірських порід та ін (наприклад, тектонічні рухи, землетруси, магматизм, метаморфізм).

Екзогенні процеси(Процеси зовнішньої динаміки) протікають під впливом зовнішньої енергії Сонця. Приклади: вивітрювання гірських порід та мінералів, видалення продуктів руйнування з одних ділянок земної кори та перенесення їх на нові ділянки, відкладення та накопичення продуктів руйнування з утворенням осадових порід. До Екз.пр. віднос. геологічна діяльність атмосфери, гідросфери, а також живих організмів та людини.

Найбільші форми рельєфу (материки та океанічні западини) і великі форми (гори та рівнини) утворилися за рахунок ендогенних процесів, а середні та дрібні форми рельєфу (річкові долини, пагорби, яри, бархани та ін.), накладені на більші форми – за рахунок екзогенних процесів. Таким чином, ендогенні та екзогенні процеси – протилежні. Перші ведуть до утворення великих форм рельєфу, другі їх згладжування.

Приклади геологічного круговороту.Магматичні гірські породи внаслідок вивітрювання перетворюються на осадові. У рухомих зонах земної кори вони поринають у глиб Землі. Там під впливом високих температур і тисків переплавляються і утворюють магму, яка, піднімаючись на поверхню і застигаючи, утворює магматичні породи.

Прикладом великого круговороту може бути і кругообіг води між сушею і океаном через атмосферу (рис. 2.1).

Мал. 2.1. Загальноприйнята схема гідрологічного (кліматичного)

кругообіг води в природі

Волога, що випарувалася з поверхні Світового океану (на що витрачається майже половина сонячної енергії, що надходить до поверхні Землі), переноситься на сушу, де випадає у вигляді опадів, які знову повертаються в океан у вигляді поверхневого і підземного стоку. Кругообіг води відбувається і за більш простою схемою: випаровування вологи з поверхні океану – конденсація водяної пари – випадання опадів на цю ж водну поверхню океану.

Кругообіг води загалом відіграє основну роль у формуванні природних умов на нашій планеті. З урахуванням транспірації води рослинами та поглинання їх у біогеохімічному циклі весь запас води Землі розпадається і відновлюється за 2 млн років.

Таким чином, геологічний кругообіг речовин протікає без участі живих організмів і здійснює перерозподіл речовини між біосферою та глибшими шарами Землі.