Головна › Салон › Роль живих організмів у біосфері. Роль живої речовини в біосфері Основна увага в навчанні про біосферу В

Роль живих організмів у біосфері. Роль живої речовини в біосфері Основна увага в навчанні про біосферу В

Питання 1. У чому вплив живих організмів на біосферу?
Живі істоти сприяють перенесенню та кругообігу речовин у природі. Завдяки діяльності фотосинтетиків у атмосфері знизилася кількість вуглекислого газу, з'явився кисень та сформувався захисний озоновий шар. Діяльність живих організмів визначає склад та структуру ґрунту (переробка редуцентами органічних залишків), оберігає його від ерозії. Значною мірою тварини та рослини визначають також вміст різних речовин у гідросфері (особливо у невеликих за розміром водоймах). Деякі організми здатні вибірково поглинати та накопичувати певні хімічні елементи – кремній, кальцій, йод, сірку тощо. Результатом активності живих істот є відкладення вапняків, залізних та марганцевих руд, запасів нафти, вугілля, газу.

Питання 2. Розкажіть про кругообіг води в природі.
Під впливом енергії Сонця вода випаровується з поверхні водойм і повітряними течіями переноситься великі відстані. Випадаючи на поверхню суші у вигляді опадів, вона сприяє руйнуванню гірських порід і робить їх мінерали складними доступними для рослин, мікроорганізмів і тварин. Вона розмиває верхній ґрунтовий шар і йде разом із розчиненими в ній хімічними сполукамита зваженими органічними та неорганічними частинками у моря та океани. Циркуляція води між океаном та сушею – найважливіша ланка у підтримці життя на Землі.
Рослини беруть участь у кругообігу води двояким способом: витягають її з ґрунту і випаровують в атмосферу; частина води у клітинах рослин розщеплюється у процесі фотосинтезу. При цьому водень фіксується як органічних сполук, а кисень надходить в атмосферу.
Тварини споживають воду для підтримки осмотичної та сольової рівноваги в організмі та виділяють її у зовнішнє середовищеразом із продуктами обміну речовин.

Запитання 3. Які організми поглинають діоксид вуглецю з атмосфери?
Діоксид вуглецю з атмосфери поглинають фотосинтезуючі організми, які засвоюють його та запасають у вигляді органічних сполук (насамперед глюкози). Діоксид вуглецю з атмосфери поглинають фотосинтезуючі організми, які засвоюють його та запасають у вигляді органічних сполук (насамперед глюкози). Крім того, частина атмосферного вуглекислого газу розчиняється у воді морів та океанів, а потім у формі іонів вугільної кислоти може захоплюватися тваринами – молюсками, коралами, губками, що використовують карбонати для побудови раковин та скелетів. Результатом їхньої активності може бути утворення осадових порід (вапняків, крейди та ін.).

Запитання 4. Опишіть шлях повернення зв'язаного вуглецю в атмосферу.
Вуглець надходить у біосферу в результаті фіксації його в процесі фотосинтезу, Кількість вуглецю, що щорічно зв'язується рослинами, оцінюється в 46 млрд т. Частина його надходить у тіло тварин і звільняється в результаті дихання у вигляді СО 2 який знову надходить в атмосферу. Крім того, запаси вуглецю в атмосфері поповнюються за рахунок вулканічної діяльності та спалювання людиною горючих копалин. Хоча основна частина діоксиду вуглецю, що надходить в атмосферу, поглинається океаном і відкладається у вигляді карбонатів, вміст СО 2 в повітрі повільно, але неухильно підвищується.

Питання 5. Які чинники, крім діяльності живих організмів, впливають стан нашої планети?
Окрім діяльності живих організмів на стан нашої планети впливають абіотичні фактори: рух літосферних плит, вулканічна активність, річки та морський прибій, кліматичні явища, посухи, повені та інші природні процеси. Деякі їх діють дуже повільно; інші ж здатні практично миттєво змінити стан великої кількості екосистем (масштабне виверження вулкана; сильний землетрус, що супроводжується цунамі; лісові пожежі; падіння великого метеориту).

Запитання 6. Хто вперше ввів у науку термін «ноосфера»?
Ноосфера (від грец. noos - розум) - це поняття, що означає сферу взаємодії природи та людини; це еволюційно новий стан біосфери, у якому розумна діяльність людини стає вирішальним чинником розвитку. Вперше термін «ноосфера» у 1927 р. запровадили у науку французькі вчені Едуард Леруа (1870-1954) та П'єр Тейяр де Шарден (1881-1955).

Реферат на тему:

Вступ

Кругообіг біологічний – явище безперервного характеру, циклічного, закономірного, але з рівномірного у часі та просторі перерозподілу речовин, енергії та у межах екологічних систем різного ієрархічного рівня організації – від біогеоценозу до біосфери. Кругообіг речовин у масштабах всієї біосфери називають великим колом, а межах конкретного біогеоценозу – малим колом біотичного обміну.

Академік В.І. Вернадський першим постулював тезу про найважливішу роль живих організмів у формуванні та підтримці основних фізико-хімічних властивостей оболонок Землі. У його концепції біосфера розглядається непросто як простір, зайняте життям, бо як цілісна функціональна система, лише на рівні якої реалізується нерозривний зв'язок геологічних і біологічних процесів. Основні властивості життя, що забезпечують цей зв'язок, - висока хімічна активність живих організмів, їх рухливість та здатність до самовідтворення та еволюції. У підтримці життя як планетарного явища найважливіші значення має різноманітність її форм, що відрізняються набором речовин, що споживаються і виділяються в навколишнє середовище продуктів життєдіяльності. Біологічна різноманітність – основа формування стійких біогеохімічних циклів речовини та енергії у біосфері Землі.

Питання ролі живих організмів у малому кругообігу розглядали такі вчені, педагоги як Ніколайкін Н.І., Шилов І.А., МелеховаО.П. та ін.

1. Роль живих організмів у біологічному кругообігу

Специфічне властивість життя – обмін речовин із середовищем. Будь-який організм повинен одержувати із зовнішнього середовища певні речовини як джерела енергії та матеріал для побудови власного тіла. Продукти метаболізму, які вже непридатні для подальшого використання, виводять назовні. Таким чином, кожен організм або безліч однакових організмів у процесі своєї життєдіяльності погіршують умови свого проживання. Можливість зворотного процесу – підтримки життєвих умов і навіть їх поліпшення, - залежить від того, що біосферу населяють різні організми з різним типом обміну речовин.

У найпростішому вигляді набір якісних форм життя представлений продуцентами, консументами та редуцентами, спільна діяльність яких забезпечує вилучення певних речовин із зовнішнього середовища, їх трансформацію на різних рівнях трофічних ланцюгів та мінералізацію органічної речовини до складових, доступних для чергового включення до кругообігу (основні елементи, що мігрують) за ланцюгами біологічного круговороту - вуглець, водень, кисень, калій (фосфор, сірка і т.д.).

Продуценти – це живі організми, які здатні синтезувати органічна речовиназ неорганічних складових із використанням зовнішніх джерел енергії. (Зазначимо, що отримання енергії ззовні - загальна умова життєдіяльності всіх організмів; по енергії всі біологічні системи - відкриті) їх називають автотрофами, оскільки вони самі забезпечують себе органічною речовиною. У природних угрупованнях продуценти виконують функцію виробників органічної речовини, що накопичується в тканинах цих організмів. Органічна речовина є і джерелом енергії для процесів життєдіяльності; зовнішня енергія використовується лише первинного синтезу.

Усі продуценти за характером джерела енергії для синтезу органічних речовин поділяються на фотоавтотрофи та хемоавтотрофи. Перші використовують для синтезу енергію сонячного випромінювання у частині спектру з довжиною хвилі 380-710 нм. Його головним чином зелені рослини, але до фотосинтезу здатні і представники деяких інших царств органічного світу. Серед них особливе значення мають ціанобактерії (синьо-зелені водорості), які, мабуть, були першими фотосинтетиками в еволюції життя на Землі. Здатні до фотосинтезу також багато бактерій, які, щоправда, використовують особливий пігмент - бактеріохлорин - і виділяють при фотосинтезі кисень. Основні вихідні речовини, що використовуються для фотосинтезу - діоксид вуглецю і вода (основа для синтезу вуглеводів), а також азот, фосфор, калій та інші елементи мінерального живлення.

Створюючи органічні речовини на основі фотосинтезу, фотоавтотрофи, таким чином, пов'язують використану сонячну енергію, як запасаючи її. Подальша руйнація хімічних зв'язків веде до вивільнення такої «запасеної» енергії. Це стосується не тільки використання органічного палива; «запасена» в тканинах рослин енергія передається у вигляді їжі по трофічних ланцюгах і служить основою потоків енергії, що супроводжують біогенний кругообіг речовин.

Хемоавтотрофи у процесах синтезу органічної речовини використовують енергію хімічних зв'язків. До цієї групи належать тільки прокаріоти: бактерії, архебактерії та синьо-зелені. Хімічна енергія вивільняється у процесах окислення мінеральних речовин. Екзотермічні окисні процеси використовуються нітрифікуючими бактеріями (окислюють аміак до нітритів, а потім до нітратів), залізобактеріями (окислення закисного заліза до окисного), сіркобактеріями (сірководень до сульфатів). Як субстрат для окислення використовується також метан, ЗІ та деякі інші речовини.

При всьому різноманітті конкретних форм продуцентів-автотрофів їхня загальна біосферна функція єдина і полягає в залученні елементів неживої природи до складу тканин організмів і таким чином до загального біологічного кругообігу. Сумарна маса автотрофів-продуцентів становить понад 95 % маси всіх живих організмів у біосфері.

Консументи. Живі істоти, не здатні будувати своє тіло на основі використання неорганічних речовин, що вимагають надходження органічної речовини ззовні, у складі їжі, належать до групи гетеротрофних організмів, що живуть за рахунок продуктів, синтезованих фото- або хемоситетиками. Їжа, що видобувається тим чи іншим способом із зовнішнього середовища, використовується гетеротрофами на побудову власного тіла і як джерело енергії для різних форм життєдіяльності. Таким чином, гетеротроф використовують енергію, запасену автотрофами у вигляді хімічних зв'язків синтезованих ними органічних речовин. У потоці речовин по ходу кругообігу вони займають рівень споживачів, облігатно пов'язаних з автотрофами організмами (консументи 1 порядку) або іншими гетеротрофами, якими вони харчуються (консументи II порядку).

Загальне значення консументів у кругообігу речовин своєрідне і неоднозначне. Вони не обов'язкові у прямому процесі кругообігу: штучні замкнуті модельні системи, складені із зелених рослин та ґрунтових мікроорганізмів, за наявності вологи та мінеральних солей можуть існувати невизначено довгий часза рахунок фотосинтезу, деструкції рослинних залишків та залучення вивільнених елементів у новий кругообіг. Але це можливо лише у стабільних лабораторних умовах. У природній обстановці зростає можливість загибелі таких простих систем від багатьох причин. "Гарантами" стійкості круговороту і виявляються насамперед консументи.

У процесі власного метаболізму гетеротрофи розкладають отримані у складі їжі органічні речовини і цій основі будують речовини власного тіла. Трансформація первинно продукованих автотрофами речовин у організмах консументів веде до збільшення різноманітності живої речовини. Різноманітність необхідна умова стійкості будь-якої кібернетичної системи на тлі зовнішніх і внутрішніх збурень. Живі системи - від організму до біосфери загалом - функціонують за кібернетичним принципом зворотних зв'язків.

Тварини, що становлять основну частину організмів-консументів, відрізняються рухливістю, здатністю до активного переміщення у просторі. Цим вони ефективно беруть участь у міграції живої речовини, дисперсії її поверхнею планети, що, з одного боку, стимулює просторове розселення життя, а з іншого служить своєрідним «гарантійним Механізмом» на випадок знищення життя в будь-якому місці через ті чи інші причини .

Прикладом такої «просторової гарантії може бути широко відома катастрофа на о. Кракатау: в результаті виверження вулкана в 1883 р. життя на острові було повністю знищено, але протягом всього 50 років відновилося - було зареєстровано близько 1200 видів. Заселення йшло головним чином за рахунок не зачеплених виверженням Яви, Суматри та сусідніх островів, звідки різними шляхами рослини та тварини знову заселили покритий попелом та застиглими потоками лави острів. При цьому першими (вже через 3 роки) на вулканічному туфі та попелі з'явилися плівки ціанобактерій. Процес становлення стійких угруповань на острові триває; лісові ценози ще знаходяться на ранніх стадіях сукцесії та сильно спрощені за структурою.

Нарешті, надзвичайно важлива роль консументів, насамперед тварин, як регуляторів інтенсивності потоків речовини та енергії з трофічних ланцюгів. Здатність до активної авторегуляції біо-маси та темпів її зміни на рівні екосистем та популяцій окремих видівзрештою реалізується у вигляді підтримки відповідності темпів створення та руйнування органічної речовини у глобальних системах круговороту. У такій регуляторній системі беруть участь не тільки консументи, але останні (особливо тварини) відрізняються найбільш активною і швидкою реакцією на будь-які збурення балансу біомаси суміжних трофічних рівнів.

У принципі система регулювання потоків речовини в біогенному кругообігу, заснована на комплементарності складових цієї системи екологічних категорій живих організмів, працює за принципом безвідходного виробництва. Однак в ідеалі цей принцип дотриманий бути не може через велику складність взаємодіючих процесів і факторів, що впливають на них. Результатом порушення повноти кругообігу з'явилися відкладення нафти, кам'яного вугілля, торфу, сапропелів. Всі ці речовини несуть у собі енергію, спочатку запасену у процесі фотосинтезу. Використання їхньою людиною - як би «відставлене в часі» завершення циклів біологічного круговороту.

Редуценти. До цієї екологічної категорії належать організми-гетеротрофи, які, використовуючи як їжу мертву органічну речовину (трупи, фекалія, рослинний опад тощо), у процесі метаболізму розкладають його до неорганічних складових.

Частково мінералізація органічних речовин у всіх живих організмів. Так, у процесі дихання виділяється СО2, з організму виводяться вода, мінеральні солі, аміак тощо. Справжніми редуцентами, що завершує цикл руйнування органічних речовин, слід вважати лише такі організми, які виділяють у зовнішнє середовище тільки неорганічні речовини, готові до залучення в новий цикл.

У категорію редуцентів входять багато видів бактерій та грибів. За характером метаболізму це організми-відновники. Так, девітрифікуючі бактерії відновлюють азот до елементарного стану, сулъфатредуцірующие бактерія - сірку до сірководню. Кінцеві продукти розкладання органічних речовин – діоксид вуглецю, вода, аміак, мінеральні солі. В анаеробних умовах розкладання йде далі – до водню; утворюються також вуглеводні.

Повний цикл редукції органічної речовини складніший і залучає більше учасників. Він складається з ряду послідовних ланок, у низці яких різні організми-руйнівники поетапно перетворюють органічні речовини спочатку на простіші форми і лише після цього на неорганічні складові дією бактерій і грибів.

рівні організації живої матерії. Спільна діяльність продуцентів, консументів та редуцентів визначає безперервну підтримку глобального біологічного кругообігу речовин у біосфері Землі. Цей процес підтримується закономірними взаємовідносинами складових біосферу просторово-функціональних частин та забезпечується особливою системою зв'язків, що виступають як механізм гомеостазування біосфери - підтримки її стійкого функціонування на тлі мінливих зовнішніх і внутрішніх факторів. Тому біосферу можна як глобальну екологічну систему, що забезпечує стійке підтримання життя її планетарному прояві.

Будь-яка біологічна (у тому числі і екологічна) система характеризується специфічною функцією, упорядкованими взаємовідносинами складових систему частин (субсистем) і основними на цих взаємодіях регуляторними механізмами, що визначають цілісність і стійкість системи на тлі зовнішніх умов, що коливаються. Зі сказаного вище ясно, що біосфера в її структурі та функції відповідає поняттю біологічної (екологічної) системи.

На рівні біосфери як цілого здійснюється загальний функціональний зв'язок живої речовини з неживою природою. Її структурно-функціональними складовими (підсистемами), на рівні яких здійснюються конкретні цикли біологічного круговороту, є біогеоценози (екосистеми).

2. Малий кругообіг речовин у біосфері

Біологічний (біогеохімічний) кругообіг (малий кругообіг речовин у біосфері) – кругообіг речовин, рушійною силою якого є діяльність живих організмів. Біогеохімічний кругообіг речовин відбувається в межах біосфери. Головним джерелом енергії кругообігу є сонячна радіація, яка породжує фотосинтез. В екосистемі органічні речовини синтезують автотроф з неорганічних речовин. Потім він споживається гетеротрофами. Через війну виділення у процесі життєдіяльності чи після загибелі організмів органічні речовини піддаються мінералізації, тобто. перетворенню на неорганічні речовини. Ці неорганічні можуть бути використані для синтезу автотрофами органічних речовин.

У біогеохімічних кругообігах слід розрізняти дві частини:

1. резервний фонд - це частина речовини, не пов'язана з живими організмами;

2. обмінний фонд – значно менша частина речовини, яка пов'язана прямим обміном між організмами та їх безпосереднім оточенням.

Залежно від розташування резервного фонду біогеохімічні кругообіги можна поділити на два типи:

1. кругообіги газового типу з резервним фондом речовин в атмосфері та гідросфері (кругообіги вуглецю, кисню, азоту);

2. кругообіги осадового типу з резервним фондом у земній корі (кругообіги фосфору, кальцію, заліза та д.р.).

Кругообіги газового типу досконалі, т.к. мають великий обмінний фонд, отже способи швидкої саморегуляції. Кругообіги осадового типу менш досконалі, вони інертні, т.к. Переважна більшість речовини міститься у резервному фонді земної корі в «недоступному» живим організмам вигляді. Такі кругообіги легко порушуються від різного роду впливів, і частина матеріалу, що обмінюється, виходить з круговороту. Повернутися знову кругообіг може лише в результаті геологічних процесів або шляхом вилучення живою речовиною. Однак витягти потрібні живим організмам речовини з земної коринабагато складніше, ніж із атмосфери.

Інтенсивність біологічного круговороту в першу чергу визначається температурою навколишнього середовища та кількістю води. Так, наприклад, біологічний кругообіг інтенсивніше протікає у вологих тропічних лісах, ніж у тундрі. Крім того, в тундрі біологічні процеси протікають лише в теплу пору року.

Продуценти, консументи, детритофаги та редуценти екосистеми, поглинаючи та виділяючи різні речовини, взаємодіють між собою чітко та узгоджено. Органічні речовини та кисень, що утворюються фотосинтезуючими рослинами, - найважливіші продукти харчування та дихання консументів. У той же час діоксид вуглецю, що виділяються консументами, і мінеральні речовини гною і сечі є біогенами, настільки необхідними продуцентами. Тому речовини в екосистемах здійснюють практично повний кругообіг, потрапляючи спочатку в живі організми, потім в абіотичне середовище і знову повертаючись у живе. Ось один із основних принципів функціонування екосистем: отримання ресурсів та переробка відходів відбуваються в процесі кругообігу всіх елементів.

Розглянемо кругообіги найбільш значущих для живих організмів речовин та елементів. До малого біогеохімічного кругообігу біогенних елементів відносяться: вуглець, азот, фосфор, сірка та ін.

2.1 Кругообіг вуглецю

Вуглець існує у природі у багатьох формах, зокрема у складі органічних сполук. Неорганічна речовина, що лежить в основі біогенного круговороту цього елемента, є діоксид вуглецю (СО2). У природі СО2 входить до складу атмосфери, а також у розчиненому стані в гідросфері. Включення вуглецю до складу органічних речовин відбувається у процесі фотосинтезу, у результаті якого основі СО2 і Н2 Про утворюються цукру. Надалі інші процеси біосинтезу перетворюють ці вуглеці на складніші, соціальній та протеїди, ліпіди. Всі ці сполуки не тільки формують тканини фотосинтезуючих організмів, а й є джерелом органічних речовин для тварин і незелених рослин.

У процесі дихання усі організми окислюють складні органічні речовини; кінцевий продукт цього процесу, СО2, виводиться у зовнішнє середовище, де знову може залучатися до процесу фотосинтезу.

За певних умов у ґрунті розкладання мертвих залишків, що накопичуються, йде сповільненим темпом – через утворення сапрофагами гумусу, мінералізація якого впливом грибів і бактерій може йти з різною, в тому числі і з низькою, швидкістю. У деяких випадках ланцюг розкладання органічної речовини буває неповним. Зокрема, діяльність сапрофагів може пригнічуватись недоліком кисню або підвищеною кислотністю. І тут органічні залишки накопичуються як торфу; вуглець не вивільняється і кругообіг зупиняється. Аналогічні ситуації виникали й у минулі геологічні епохи, про що свідчать відкладення кам'яного вугілля та нафти.

У гідросфері припинення кругообігу вуглецю пов'язана з включенням СО2 до складу СаСО3 у вигляді вапняків, крейди, коралів. В цьому випадку вуглець вимикається з кругообігу на цілі геологічні епохи. Лише підняття органогенних порід над рівнем моря призводить до відновлення круговороту через вилуговування вапняків атмосферними опадами. А також біогенним шляхом – дією лишайників, коріння рослин.

Головним резервуаром біологічно пов'язаного вуглецю є ліси, вони містять до 500 млрд. тонн цього елемента, що становить 2/3 його запасу в атмосфері. Втручання людини в кругообіг вуглецю призводить до зростання вмісту СО2 в атмосфері та розвитку парникового ефекту.

Швидкість кругообігу СО2, тобто. час, протягом якого весь вуглекислий газ атмосфери проходить через живу речовину, становить близько 300 років.

2.2 Кругообіг азоту

Головне джерелоазоту органічних сполук – молекулярний азот у складі атмосфери. Перехід їх у доступні живим організмам сполуки може здійснюватися різними шляхами. Так, електричні розряди при грозах синтезують із азоту та кисню повітря оксиду азоту, які з дощовими водами потрапляють у ґрунт у формі селітри чи азотної кислоти. Наявне і фотохімічна фіксація азоту.

Більш важливою формою засвоєння азоту є діяльність азот-фіксуючих мікроорганізмів, що синтезують складні протеїди. Відмираючи, вони збагачують ґрунт органічним азотом, який швидко мінералізуються. Таким шляхом у ґрунт щорічно надходить близько 25 кг азоту на 1 га.

Найбільш ефективна фіксація азоту здійснюється бактеріями, що формують симбіотичні зв'язки з бобовими рослинами. Органічний азот, що утворюється ними, дифундує в ризосферу, а також включається в наземні органи рослини-господаря. Таким шляхом у наземних та підземних органах рослин на 1 га накопичується за рік 150-400 кг азоту.

Існують азотфіксуючі мікроорганізми, що утворюють симбіоз та інші рослини. У водному середовищіі на дуже вологому ґрунті безпосередню фіксацію атмосферного азоту здійснюють ціанобактерії. У всіх цих випадках азот потрапляє до рослин у формі нітратів. Ці сполуки через коріння та провідні шляхи доставляють у листя, де використовуються для синтезу протеїнів; останні є основою для азотного харчування тварин.

Екскрети та мертві організми складають основу ланцюгів живлення організмів-сапрофагів, що розкладають органічні сполуки з поступовим перетворенням органічних азотовмісних речовин на неорганічні. Кінцевою ланкою цього редукційного ланцюга виявляються організми, що аммоніфікують, утворюють аміак, який потім може увійти в цикл нітрифікації. Таким чином, цикл азоту може бути продовжений.

У той же час відбувається постійне повернення азоту в атмосферу дією бактерій-денітрифікаторів, які розкладають нітрати до N2. Ці бактерії активні у ґрунтах, багатих азотом та вуглецем. Завдяки їх діяльності щорічно з 1 га ґрунту випаровуються до 50-60 кг азоту.

Азот може вимикатися з кругообігу шляхом акумуляції в глибоководних опадів океану. Певною мірою це компенсується виділенням молекулярного N2 у складі вулканічних газів.

2.3 Кругообіг фосфору

З усіх макроелементів (елементів, необхідних для живого у великих кількостях) фосфор – одне із найрідкісніших у доступних резервуарах лежить на Землі. У природі фосфор у великих кількостях міститься у низці гірських порід. У процесі руйнування цих порід він потрапляє в наземні екосистеми або вилуговується опадами і зрештою опиняється у гідросфері. В обох випадках цей елемент входить у харчові ланцюги. У більшості випадків організми-редуценти мінералізують органічні речовини, що містять фосфор, неорганічні фосфати, які знову можуть бути використані рослинами і таким чином знову залучаються в кругообіг.

В океані частина фосфатів з відмерлими органічними залишками потрапляє в глибинні опади і накопичується там, вимикаючись з кругообігу. Процес природного кругообігу фосфору в сучасних умовах інтенсифікується застосуванням у сільському господарстві фосфорних добрив, джерелом яких є поклади мінеральних фосфатів. Це може бути приводом для тривоги, оскільки солі фосфору при такому використанні швидко вилуговуються, а масштаби експлуатації мінеральних ресурсіввесь час зростають. Складаючи нині близько 2 млн. тонн на рік.

2.4 Кругообіг сірки

Основний резерв фонд сірки знаходиться у відкладенні та грунті, але на відміну від фосфору є резервний фонд та в атмосфері. Головна роль залучення сірки в біогеохімічний кругообіг належить мікроорганізмами. Одні їх відновники, інші – окислювачі.

У гірських породах сірка зустрічається у вигляді сульфідів, у розчинах - у формі іона, в газоподібній фазі у вигляді сірководню або сірчистого газу. У деяких організмах сірка накопичується в чистому вигляді (S) і при їхньому відмиранні на дні морів утворюються поклади самородної сірки.

У наземних екосистемах сірка надходить у рослини із ґрунту в основному у вигляді сульфатів. У живих організмах сірка міститься у білках, як іонів тощо. Після загибелі живих організмів частина сірки відновлюється в ґрунті мікроорганізмами до HS, інша частина окислюється до сульфатів і знову входить у кругообіг. Сірководень, що утворився, випаровується в атмосферу, там окислюється і повертається в грунт з опадами.

Спалювання людиною викопного палива, а також викиди хімічної промисловості, Приводить до накопичення в атмосфері сірчистого газу (SO), який реагуючи з парами води, випадає на землю у вигляді кислотних дощів.

Біогеохімічні цикли значною мірою схильні до впливу людини. Господарська діяльність порушує їхню замкнутість, вони стають ациклічними.

Висновок

Складні взаємини, що підтримують стійкий кругообіг речовин, і з ним існування життя як глобального явища нашої планети, сформувалися протягом тривалої історії Землі.

Спільна діяльність різних живих організмів визначає закономірний кругообіг окремих елементів та хімічних сполук, що включає введення їх до складу живих клітин, перетворення хімічних речовину процесах метаболізму, виділення в навколишнє середовище та деструкцію органічних речовин, в результаті якої вивільняються мінеральні речовини, що знову включаються в біологічні цикли.

Таким чином, процеси кругообігу відбуваються в конкретних екосистемах, але в повному вигляді біогеохімічні цикли реалізуються лише на рівні біосфери в цілому. А спільна діяльність якісних форм життя забезпечує вилучення певних речовин із зовнішнього середовища, їх трансформацію на різних рівнях трофічних ланцюгів та мінералізацію органічної речовини до складових, доступних для чергового включення до кругообігу (основні елементи, що мігрують по ланцюгах біологічного кругообігу, - вуглець, водень, азот , калій, кальцій та ін.).

Список літератури

1. Колесников С.І. Екологія. - Ростов на Дону: "Фенікс", 2003.

2. Петров К.М. Загальна екологія: Взаємодія суспільства та природи: Навч. допомога. 2-ге вид.- СПб.; Хімія, 1998.

3. Ніколайкін Н.І. Екологія.: Навч. для вузів/ Ніколайкін Н.М., Ніколайкіна Н.Є., Мелехіна О.П. - 2-ге вид., перероб. і доп. - М: Дрофа, 2003.

4. Хотунцев Ю.Л. Екологія та екологічна безпека: Навч. посібник для студ. вищ. пед. навч. закладів. - М.: Видавничий центр "Академія", 2002.

5. Шилов І.А. Екологія: Навч. для біол. та мед. спец. вузів І.А. Шилов.-4-е вид., испр.- М.: Вища школа, 2003.

Питання 2. Розкажіть про кругообіг води в природі.
Під впливом енергії Сонця вода випаровується з поверхні водойм і повітряними течіями переноситься великі відстані. Випадаючи на поверхню суші у вигляді опадів, вона сприяє руйнуванню гірських порід і робить їх мінерали складними доступними для рослин, мікроорганізмів і тварин. Вона розмиває верхній ґрунтовий шар і йде разом із розчиненими в ній хімічними сполуками та зваженими органічними та неорганічними частинками у моря та океани. Циркуляція води між океаном та сушею – найважливіша ланка у підтримці життя на Землі.
Рослини беруть участь у кругообігу води двояким способом: витягають її з ґрунту і випаровують в атмосферу; частина води у клітинах рослин розщеплюється у процесі фотосинтезу. При цьому водень фіксується як органічних сполук, а кисень надходить в атмосферу.
Тварини споживають воду для підтримки осмотичної та сольової рівноваги в організмі та виділяють її у зовнішнє середовище разом із продуктами обміну речовин.

Під охороною природи прийнято розуміти систему заходів, спрямованих на підтримку раціональної взаємодії між діяльністю людини та навколишнього природного середовища. Ця система заходів повинна забезпечувати збереження та відновлення природних багатств, раціональне використання природних ресурсів, а також попереджати прямий та непрямий шкідливий вплив промислового виробництвана природу та здоров'я людини. Одночасно ставиться завдання забезпечити збереження рівноваги між розвитком виробництва та стійкістю навколишнього природного середовища на користь людства. Для цього необхідне комплексне вивчення процесів, що відбуваються у навколишній природі, та організація всіх видів виробництв з урахуванням виявлених закономірностей. Науковою основою для досліджень природних об'єктів та комплексного підходу при організації сучасного виробництва є вчення про біосферу Землі.

Термін «біосфера» запровадив 1875 р. австрійський геолог Еге. Зюсс; основоположник сучасного вчення про біосферу – російський учений В. І. Вернадський. У поданні В. І. Вернадського біосфера охоплює той простір, в якому жива речовина діє як геологічна сила, яка формує зовнішність Землі;

У сучасному поданнібіосфера-це складна динамічна велика система, що складається з багатьох компонентів живої та неживої природи, цілісність якої підтримується в результаті постійно діючого біологічного кругообігу речовин.

В основі вчення В, І. Вернадського лежать уявлення про Планетарну геохімічну роль живої речовини в освіті біосфери, як продукту тривалого перетворення речовини та енергії в ході геологічного розвитку Землі. Жива речовина - це сукупність живих організмів, що існували або існують у певний відрізок часу і є потужним геологічним фактором. На відміну від живих істот, що вивчаються біологією, жива речовина як біогеохімічний фактор характеризується елементарним складом, масою та енергією. Воно акумулює та трансформує сонячну енергію та залучає неорганічну матерію у безперервний кругообіг. Через живу речовину багаторазово пройшли атоми багатьох хімічних елементів. Зрештою Жива речовина визначила склад атмосфери, гідросфери, грунтів та значною мірою осадових порід нашої планети.

В.І. Вернадський вказував, що жива речовина акумулює енергію космосу, трансформує її в енергію земних процесів (хімічну, механічну, теплову, електричну та ін.) і в безперервному обміні речовин з відсталою матерією планети забезпечує утворення живої речовини, яка не тільки заміщає маси, що відмирають, а й привносить нові якості, визначаючи цим процес еволюції органічного світу.

У подань В. І. Вернадського біосфера включає чотири основні компоненти:

жива речовина – сукупність всіх живих організмів;

біогенна речовина, тобто продукти, що утворилися в результаті життєдіяльності різних організмів (кам'яне вугілля, бітуми, торф, лісова підстилка, ґрунтовий гумус та ip.);

біокосна речовина - перетворена організмами неорганічна речовина (наприклад, приземна атмосфера, деякі осадові породи тощо);

косна речовина - гірські породи переважно магматичного, неорганічного походження, складові земну кору.

Будь-які види рослин, тварин і мікроорганізмів, взаємодіючи з навколишнім середовищем, забезпечують своє існування не як сума особин, а як єдине функціональне ціле, що є популяцією (популяції сосни, комара і т.д.).

По С.С.Шварцу, населення - це елементарна угруповання організмів певного виду, що має всі необхідні умови для підтримки своєї чисельності неоглядно довгий часі в умовах середовища, що постійно змінюються. Інакше висловлюючись, населення - це форма існування образу, та надорганізмна система, що робить вигляд потенційно (але реально) безсмертним. Це свідчить про те, що пристосувальні повноваження популяції набагато вищі, ніж у складових її окремих організмів.

Популяція як елементарна екологічна одиниця має певну структуру, яка характеризується складовими її особинами та його розподілом у просторі. Популяціям властиві зростання, розвиток, і здатність підтримувати існування в мінливих умовах.

У природі популяції рослин, тварин та мікроорганізмів становлять системи вищого рангу - спільноти живих організмів, або, як їх прийнято називати, біоценози. Біоценоз – це організована групапопуляцій рослин, тварин і мікроорганізмів, що живуть у взаємодії в тих самих умовах середовища. Поняття «біоценоз» було запропоновано в 1877 р. німецьким зоологом К-Мебіусом, який встановив, що всі члени однієї спільноти живих організмів перебувають у тісному та постійному взаємозв'язку. Біоценоз є продуктом природного відбору, коли його стійке існування у часі та просторі залежить від характеру взаємодії популяцій і можливе лише при обов'язковому надходженні променистої енергії Сонця та наявності постійного кругообігу речовин.

Іноді для спрощення вивчення біоценозу його умовно поділяють на окремі компоненти: фітоценоз – рослинність, зооценоз – тваринний світ, мікробоценоз – мікроорганізми. Такий поділ призводить до штучного виділення окремих угруповань живих організмів, які самостійно існувати що неспроможні. Не може бути стійкою система, яка б складалася тільки з рослин або тільки з тварин. Співтовариства та їх компоненти необхідно розглядати як біологічну єдність різних типівживих організмів.

Біоценоз не може розвиватися сам собою, поза і незалежно від середовища неорганічного світу. У результаті природі складаються певні щодо стійкі комплекси, сукупності живих і неживих компонентів. Простір з однорідними умовами, заселений угрупованням організмів (біоценозом), називається біотопом, тобто. біотоп - це місце існування, місце проживання біоценозу. Тому біоценоз можна як історично сформований комплекс організмів, характерний даного конкретного біотопу.

Біоценоз утворює з біотопом діалектичну єдність, біологічну макросистему ще вищого рангу - біогеоценоз. Термін «біогеоценоз», що позначає сукупність біоценозу та його місцеперебування, запропонував у 1940 р. В. Н. Сукачов. Термін практично тотожний терміну «екосистема», що належить А. Тенслі.

Екологічна система - це система, що складається з живих та неживих елементів середовища, між якими має місце обмін речовиною, енергією та інформацією. Екологічні системи різних рангів можуть включати обмежену або дуже велику кількість компонентів і займати малі або дуже великі площі та обсяги; екологічна система Європи, екологічна система країни, екологічна система області, району, зони дії підприємства тощо.

Під біогеоценозом розуміється елемент біосфери, де на відомому протязі біоценоз (спільнота живих організмів) і біотоп (частини атмосфери, літосфери і гідросфери), що відповідає йому, залишаються однорідними і тісно пов'язаними між собою в єдиний комплекс. Тобто, під біогеоценозом розуміється природний комплекс, через який не проходить жодна істотна біоценотична, геоморфологічна, гідрологічна, мікрокліматична, ночно-геохімічна або будь-яка інша межа. Це однорідний за топографічними, мікрокліматичними, гідрологічними та біотичними умовами ділянка біосфери. Поняття «екологічна система» не несе в собі цього обмеження і може поєднувати різні природні комплекси (ліс, луг, річку тощо). Сам біогеоценоз є елементарною екологічною системою.

Елементарна структурна одиниця біосфери – біогеоценоз – складається з двох взаємопов'язаних складових (рис. 3.1):

абіотичній (біотоп), що включає абіотичні елементи зовнішнього середовища, що перебувають у взаємозв'язку з живими організмами;

біотична (біоценоз), спільнота живих організмів, що мешкають у межах виділеного біотопу (виділеної екологічної системи).

Абіотична складова включає компоненти: літосфера, гідросфера і атмосфера.

У літосфері виділяються ділянка масиву гірських порід, земної поверхні, які є місцем проживання живих організмів і входять до складу виділеного біоценозу. Важливою характеристикоюбіотопу є ділянка земної поверхні з особливою структурою та речовим складом ґрунтів (педосфери) у межах виділеної ділянки.

До гідросфери відносяться поверхневі та підземні води, що знаходяться в межах біотопу і прямо чи опосередковано забезпечують життєдіяльність живих організмів, а також вода, що випадає на території виділеного району у вигляді опадів.

До атмосфери (газової складової) відносяться: атмосферне повітря; гази, розчинені в поверхневих та підземних водах; газова складова ґрунтів, а також гази, що виділяються з гірського масиву, які прямо чи опосередковано впливають на життєдіяльність живих організмів.

Біотична складова природного середовища (біоценоз) включає три компоненти: фітоценоз-продуценти (виробники) первинної продукції, що акумулюють енергію Сонця; еоценоз-консументи, виробники вторинної продукції, що використовують для своєї життєдіяльності енергію, укладену в органічній речовині фітоценозу; мікробоце-ноз-редуценти (диструктори), організми, що живуть за рахунок енергії мертвої органічної речовини та забезпечують її руйнування (мінералізацію) з отриманням вихідних мінеральних елементів у вигляді, зручному для використання рослинами для відтворення первинної органічної продукції.

Усі компоненти природного середовища (біогеоценозу), його біотична та абіотична складові перебувають у постійному взаємозв'язку та забезпечують еволюційний розвиток один одного. Склад та властивості літосфери, гідросфери та атмосфери значною мірою визначають живі організми. У цьому самі живі організми, забезпечуючи життєдіяльність одне одного, залежить від змін умов довкілля. Зовнішнє середовище забезпечує їх енергією та необхідними поживними речовинами.

Таким чином, загалом біосфера містить у собі такі рівні життя: популяцію, біоценоз, біогеоценоз. Кожен із цих рівнів має відносну незалежність, як і забезпечує можливість еволюції макросистеми загалом, де эволюционирующей одиницею є населення. При цьому елементарною структурною одиницею біосфери служить біогеоценоз, тобто суспільство організмів у сукупності з неорганічним середовищем проживання (див. рис. 3.1).

У сучасних умовах діяльність людини перетворює природні багатства(ліси, степи, озера). На зміну їм приходить посів та посадки культурних рослин. Так формуються нові екологічні системи – агробіогеоценози чи агроценози. Агроценозами є не лише сільськогосподарські поля, а й полезахисні лісові посадки, пасовища, лісопосадки, ставки та водосховища, канали та осушені болота. У більшості випадків агробіоценози за своєю структурою характеризуються незначною кількістю видів живих організмів, але їх високою чисельністю. Хоча у структурі та енергетиці природних і штучних біоценозів є багато специфічних рис, принципових відмінностей між ними немає.

Значно складніша справа з екологічними системами, що виникають у зонах впливу промислових підприємств, міст, гребель та інших великих інженерних споруд. Тут у результаті активного впливу людей на навколишнє середовище формуються якісно нові екологічні системи, функціонування яких забезпечується в результаті природних процесів і постійного впливу промислового підприємства та абіотичну (неживу) і біотичну (живу) складові природи.

5. Біотичний кругообіг речовин у біосфері

Існування біосфери в цілому та окремих її частин забезпечує кругообіг речовин і перетворення енергії:

Кругообіг речовин у біосфері здійснюється в церкву на підставі життєдіяльності великої різноманітності організмів. Кожен організм витягує з навколишнього середовища необхідні для своєї життєдіяльності речовини та повертає невикористані. Причому деякі види живих організмів споживають потрібні їм речовини безпосередньо з навколишнього середовища, інші використовують продукти, перероблені і виділені першими, треті - другим і так доти, поки речовина знову не повертається в природне середовище в первісному стані. Звідси і виникає необхідність співіснування різних організмів (видове різноманіття), здатних використовувати продукти життя діяльності один одного, тобто діє практично безвідхід; ве виробництво біологічної продукції.

Загальна кількість живих організмів та швидкість їх розвитку в біоценозі залежать від кількості енергії, що надходить в екологічну систему, швидкості її передачі через окремі елементи системи та від інтенсивності циркуляцій мінеральних речовин. Особливістю цих процесів є те, що поживні речовини (вуглець, азот, вода, фосфор і т. д.) циркулюють між біотопом і біоценозом постійно, т. е. використовуються незліченну кількість разів, а енергія, що надходить в екологічну систему у вигляді потоку сонячної радіації, витрачається повністю. Відповідно до закону збереження І Перетворення, енергій, що надходить в екологічну систему, може переходити з однієї форми в іншу. Другий фундаментальний принцип - будь-яка дія, пов'язана з перетворенням енергії, не може відбуватися без її втрати у вигляді розсіяного в просторі Тепла.

Будь-яка екологічна система У Процесі цієї еволюції прагне свого рівноважного стану, коли всі її функціональні параметри набувають постійного значення, і коефіцієнт корисного Дій досягає максимального значення».

Життєдіяльність будь-якого організму забезпечується в результаті багатосторонніх біотичних відносин, в які він вступає з іншими організмами. Всі організми Можуть бути класифіковані за способом харчування та трофічним рівнем, на якому вони знаходяться в загальному ланцюгу харчування. За способом харчування виділяють дві групи: автотрофні та гетеротрофні.

Автотрофні мають здатність створювати органічні речовини з неорганічних, використовуючи енергію Сонця або енергію, що звільняється при хімічних реакціях.

Гетеротрофні організми використовують як їжу органічну речовину. При цьому як їжу можуть використовуватися живі рослини або їх плоди, мертві залишки рослин та тварин. У цьому кожен організм у природі у тому чи іншому вигляді служить джерелом харчування ряду інших організмів.

В результаті послідовного переходу органічної речовини з одного трофічного рівня на інший відбуваються кругообіг речовини та передача енергії в природі (рис. 3.2). При цьому органічні речовини, переходячи з одного трофічного рівня в інший, частково виключаються з круговороту. У результаті Землі відбувається накопичення органічних сполук як покладів з корисними копалинами (ТОрф, вугілля, нафту, газ, горючі сланці та інших.). Проте істотно біологічна маса Землі не накопичується, а утримується якомусь певному рівні, оскільки він постійно руйнується і знову створюється з однієї й тієї будівельного матеріалу, тобто. у її межах протікає безперервний кругообіг речовин. У табл. 3.1 наводяться дані про швидкість відтворення біомаси для деяких екологічних природних систем.

У процесі життєдіяльності організмів докорінно перетворилася і нежива частина біосфери. В атмосфері з'явився вільний кисень, а в її верхніх шарах - озоновий екран; вуглекислота, витягнута організмами з повітря та води, законсервувалася у відкладеннях вугілля та карбонату кальцію.

В результаті геологічних процесів відбуваються деформації та руйнування верхньої частини літосфери. Раніше поховані осадові породи знову виявляються на поверхні. Надалі відбувається їхнє вивітрювання, в якому живі організми також беруть активну участь.

Виділяючи вуглекислоту, органічні та мінеральні кислоти, вони сприяють руйнуванню гірських порід і цим беруть участь у забезпеченні процесу міграції хімічних елементів.

Загальна кількість сонячної енергії, яка щорічно одержується Землею, становить приблизно 2-1024 Дж. У процесі фотосинтезу на рік утворюється близько 100 млрд. т органічних речовин і акумулюється 1,9-1021 Дж енергії Сонця. Для процесів фотосинтезу щорічно залучається з атмосфери 170 млрд. т вуглекислого газу, розкладається фотохімічним шляхом близько 130 млрд. т води та виділяється у навколишнє середовище 115 млрд. т кисню. Крім цього, у кругообіг речовин залучається 2 млрд. т азоту, кремнію, амонію, заліза, кальцію та багатьох інших речовин. Загалом у біологічному кругообігу беруть участь понад 60 елементів.

Фаза синтезу органічної речовини змінюється на наступному етапі біологічного кругообігу фазою його руйнування з одночасним розсіюванням у просторі потенційної хімічної енергії (у вигляді теплової енергії) У результаті здійснюється перехід органічної речовини в газову, рідку та тверду форми (мінеральні та інші сполуки). У процесі цих трьох фаз відбувається відновлення біологічного круговороту, який підтримується сонячною енергією і який залучаються практично одні й самі маси речовин і хімічних елементів.

В процесі геологічного кругообігу речовин здійснюється перенесення мінеральних сполук з одного місця в інше в масштабах усієї планети, а також відбувається перенесення та зміна агрегатного стану води (рідка, тверда – сніг, лід; газоподібна – скрині). Найбільш інтенсивно вода циркулює в пароподібному стані.

Кругообіг води в біосфері заснований на тому, що сумарне випаровування компенсується випаданням опадів. При цьому з океану випаровується більше води, ніж повертається з опадами. На суші, навпаки, більше випадає опадів, але надлишок стікає в озера І річки, а звідти знову в океан.

З появою живої речовини з урахуванням круговороту води та розчинених у ній мінеральних сполук, тобто. на основі абіотичного, геологічного виник кругообіг органічної речовини, або малий біологічний кругообіг.

У біологічному кругообігу найбільш важливий процес транспірації. При поглинанні ґрунтової вологи корінням рослини з водою до нього надходять розчинені у воді мінеральні та органічні речовини. Процес транспірації важливий також регулювання температури рослини, оберігаючи його від перегріву. Завдяки втратам тепла, що відбуваються при випаровуванні води, температура рослини знижується. Одночасно цей процес регулюється самою рослиною - в жарку погоду продихи, розташовані на листі, розкриваються ширше і цим сприяють посиленню випаровування і зниження температури, а при більш низькій температурі продихи прикриваються, інтенсивність випаровування зменшується. Таким чином, транспірація одночасно є і фізіологічним і фізичним процесом, так як від звичайного випаровування з неживої речовини вона відрізняється можливостями регулювання самою рослиною.

Транспіраційну здатність рослини часто оцінюють за коефіцієнтом транспірації, що характеризує обсяг води, який необхідно витратити для утворення одиниці маси сухої речовини рослини. Наприклад, освіти 1 т наземної рослинної маси пшениці, тобто. зерна та соломи, витрачається 300-500 м3 води Витрата води на травепірацію залежить від великої кількості факторів: від характеру самої рослини, умов погоди, наявності вологи в ґрунті. У суху спекотну погоду рослина потребує витрачання великої кількості води на транспірацію.

Коріння рослин всмоктує ґрунтову вологу з різних глибин. Коренева система пшениці поширюється на глибину до 2,0-2,5 м, коріння дуба іноді проникає на глибину до 20 м. Завдяки цьому рослини здатні використовувати вологу, що залягає на великих глибинах, і менше залежить від коливань зволоженості поверхневого шару ґрунту.

Випаровування з ґрунту не можна розглядати ізольовано від транспірації Так, наприклад, під пологом лісу з поверхні ґрунту випаровується мало води, незалежно від його наявності. Це тому, що сонячна радіація слабко проникає через крони дерев. Крім того, під пологом лісу швидкість руху повітря сповільнюється, і воно більше насичене вологою. У умовах основна частина вологи випаровується з допомогою транспирации.

У кругообігу води найбільш важливі ті фази, які відбуваються в межах окремих басейнів річок та озер. Рослинність виконує важливу екрануючу функцію, затримуючи частину води, що випадає в осадах. Це перехоплення, яке, звичайно, буває максимальним при слабких дощах, може в помірних широтах досягати до 25% від загальної суми опадів.

Частина води затримується в грунті, причому тим сильніше, чим значніше грунтовий колоїдальний комплекс (гумус і глина). Та частина води, яка проникає в ґрунт на глибину 20-30 см, може знову піднятися на її поверхню капілярами і випаруватися. Таким чином, перехід води з поверхні в атмосферу здійснюється в результаті фізичного випаровування та процесу транспірації. При цьому кількість води, що транспірується розчинами, збільшується з поліпшенням їх водопостачання. Так, одна береза випаровує протягом дня 0,075 м3 води; бук -0,1 м липа - 0,2, а I га лісу - 20-50 м3. 1 га березняка, маса листя якого становить 4940 кг, випаровує 47 м-" води на день, а I га ялина, маса хвої якого 31 тис. кг. транспірує 43 м:< воды в день. 1 га пшеницы за период развития использует 375 мм осадков, а продуцирует 12,5 т (сухая масса) растительного вещества.

Біологічний кругообіг на противагу геологічному вимагає менших витрат енергії. На створення органічної речовини витрачається всього 0,!-0,2% сонячної енергії, що падає на Землю (на геологічний кругообіг - до 50%)- Незважаючи на це. енергія, залучена до біологічного кругообігу, виробляє величезну роботу зі створення на планеті первинної продукції.

Циркуляцію речовин прийнято називати біогеохімічними циклами. Основні біогеохімічні цикли - кругообіг кисню, вуглецю, води, азоту, фосфору та ряду інших елементів.

В цілому кожен кругообіг будь-якого хімічного елемента є частиною загального грандіозного круговороту речовин на Землі, тобто всі вони тісно пов'язані між собою різними формами взаємодії. Основними ланками біогеохімічних циклів виступають живі організми, які й зумовлюють інтенсивність всіх кругообігів і залучення до них практично всіх елементів земної кори.

Практично весь молекулярний кисень земної атмосфери виник і підтримується відомому рівні завдяки діяльності зелених рослин. У великій кількості він витрачається організмами у процесі дихання. Але, крім того, маючи високу хімічну активність, кисень неодмінно вступає в сполуки майже з усіма елементами земної кори. Підраховано, що весь кисень, що міститься в атмосфері, проходить через живі організми (зв'язуючись при диханні і вивільняючись при фотосинтезі) за 200 років, вуглекислота здійснює кругообіг у зворотному напрямку за 300 років, а всі води на Землі розкладаються і відтворюються шляхом 2 млн. Років.

Кругообіг і міграцію речовин у біохімічних циклах можна розглянути на прикладі кругообігу вуглецю (рис. 3.3). На суші він починається з фіксації вуглекислого газу рослинами у процесі фотосинтезу. Діоксид вуглецю, що міститься в атмосфері, поглинається рослинами і в результаті фотосинтезу утворюються вуглеводні та виділяється кисень

У свою чергу вуглеводи є вихідним матеріалом для формування рослин.

Фіксований у рослині вуглець значною мірою споживається тваринами. Тварини під час дихання також виділяють вуглекислий газ. Віджили рослини і тварини розкладаються мікроорганізмами, внаслідок чого вуглець мертвої органічної речовини окислюється до вуглекислого газу і знову потрапляє в атмосферу. Подібний кругообіг вуглецю відбувається і в океані.

Частина вуглекислого газу з атмосфери надходить у океан, де він знаходиться у розчиненому вигляді. Тобто океан забезпечує підтримку вуглекислого газу атмосфері у межах. У свою чергу вміст вуглецю в океані на певному рівні забезпечується за рахунок накопичених запасів карбонату кальцію в донних опадах. Наявність цього постійно діючого природного процесу певною мірою регулює вміст вуглекислого газу в атмосфері та водах океану.

Кругообіг азоту, як і інші біогеохімічні цикли, охоплює всі сфери біосфери (рис. 3.4). Азот, якого дуже багато в атмосфері, засвоюється рослинами лише після з'єднання його з воднем чи киснем. У сучасних умовах у кругообіг азоту втрутилася людина. Він вирощує на великих площах азотофіксуючі бобові рослини або штучно пов'язує природний азот. Вважається що сільське господарствоі промисловість дають майже на 60% більше фіксованого азоту, ніж утворюється в природних умовах.

Кругообіг фосфору, який є одним із основних елементів, необхідних живим організмам, відносно простий. Основні джерела фосфору - вивержені (апатити) та осадові (фосфорити) породи. Неорганічний фосфор залучається до кругообігу внаслідок природних процесів вилуговування. Фосфор засвоюється живими організмами, які з його участю синтезують ряд органічних сполук і передають їх у різні трофічні рівні. Закінчивши свій шлях по трофічним ланцюгам, органічні фосфати розкладаються мікробами і перетворюються на мінеральні ортофосфати, доступні для зелених рослин. У водоймища фосфати потрапляють в результаті стоку річок, що сприяє розвитку фітопланктону і живих організмів, розташованих на різних рівнях трофічного ланцюга прісноводних або морських водойм. Повернення мінеральних фосфатів у воду здійснюється в результаті діяльності мікроорганізмів. Слід, однак, відзначити, що фосфати, що відклалися на великих глибинах, вимикаються з кругообігу, що необхідно враховувати при складанні балансу біогеохімічного циклу. Таким чином, відбувається лише часткове повернення фосфору, що потрапив до океану, назад на сушу. Цей процес відбувається внаслідок життєдіяльності птахів, що харчуються рибою.

Частково фосфор надходить на континент у результаті вилову риби, який веде людина. Однак кількість фосфору, щорічно надходить з рибною продукцією, значно нижча від його виносу в гідросферу, яка досягає багатьох мільйонів гон на рік. Крім того, людина, вносячи фосфатні добрива на поля, значно прискорює процес винесення фосфору в водотоки та океан. При цьому водойм завдається екологічна шкода, оскільки порушуються природні процеси життєдіяльності організмів, що мешкають у воді.

Оскільки запаси фосфору дуже обмежені, то безконтрольне його витрачання може призвести до низки негативних наслідків. Він є основним лімітуючим (рактором для автотрофних організмів як водного, так і наземного середовищ, головним регулятором низки інших біогеохімічних кругообігів. Так, наприклад, вміст нітратів у воді або кисню в атмосфері значною мірою залежить від інтенсивності круговороту фосфору в біосфері.

6. Природні екологічні системи

Структура та динаміка популяцій. Вивчення структури та динаміки популяцій має велике практичне значення.

Не знаючи закономірностей життєдіяльності населення. Не можна забезпечити розробку науково обґрунтованих екологічних, інженерних та організаційних заходів щодо раціонального використання та охорони природних ресурсів.

Популяційний підхід до вивчення життєдіяльності організмів ґрунтується на їх здатності регулювати свою чисельність та щільність при впливі різноманітних абіотичних та біотичних факторів зовнішнього середовища.

Основні параметри популяції – її чисельність та щільність. Чисельність населення - це загальна кількість особин на даній території або в даному обсязі. Вона ніколи не буває постійною і, як правило, залежить від співвідношення інтенсивності розмноження та смертності.

Щільність популяції визначається кількістю особин чи біомасою на одиницю площі чи обсягу. Наприклад, 106 рослин берези на 1 га. або 1.5 окуня I м3 води характеризують щільність популяцій цих видів. При зростанні чисельності щільність Не збільшується лише в тому випадку, якщо можливе розселення популяції на велику площу або у більшому обсязі.

Розміри ареалу поширення, чисельність і щільність популяцій непостійні і можуть змінюватися у значних межах. Нерідко ці зміни пов'язані з діяльністю людини. Але основними причинами такої динаміки є зміни умов існування, наявності кормів (тобто енергетичних ресурсів) та інших причин.

Встановлено, що чисельність популяцій може коливатися небезмежно. Утримання чисельності популяції у межах забезпечується її здатністю до саморегулированию. Будь-яка популяція завжди має нижні і верхні межі щільності, за межі яких вона не виходить (рис. 3.5). При сприятливому поєднанні факторів щільність популяції утримується на якомусь оптимальному рівні, трохи відхиляючись від нього. Такі коливання щільності Зазвичай носять правильний, регулярний характер і чітко відображають реакцію Популяції на конкретні зміни умов середовища. У природі можуть місце сезонні коливання ^ие* ленности, особливо в дрібних тварин (мишевидные гризуни. Комахи, деякі птахи). Так, чисельність мишоподібних гризунів протягом одного сезону іноді збільшується в 300 - Б00 разів, а деяких комах в 1300 - 1500 разів.

Падіння щільності нижче оптимальної обумовлює погіршення захисних властивостей популяції, зменшення її плодовитості та ряд інших негативних явищ. Популяцій З мінімальною чисельністю особин довго існувати не можуть, Відомі випадки вимирання тварин з низькою чисельністю навіть у заповідниках з вельми сприятливими умовами життя. Підвищення щільності понад оптимальну також несприятливо позначається на популяції, оскільки при цьому знищується кормова база і скорочується життєвий простір.

Популяції регулюють свою чисельність і пристосовуються до умов середовища, що змінюються, шляхом оновлення особин. Особи з'являються у популяції завдяки народженню та імміграції, а зникають внаслідок смерті та еміграції. При збалансованій інтенсивності народжуваності та смертності формується стабільна популяція. У такий популяції смертність компенсується приростом, тобто. чисельність популяції до її ареалу утримується на певному рівні.

Проте рівноваги популяцій у природі немає. Кожна популяція наділена як статичними, і динамічними властивостями, тому щільність їх завжди коливається. Але за стабільних зовнішніх умов коливання ці відбуваються близько якоїсь середньої величини. Через війну популяції не скорочуються і збільшуються, не розширюють і звужують свого ареалу.

Саморегулювання щільності популяції здійснюється діючими в Природі двома силами, що взаємно врівноважуються. Це, з одного боку, властива організмам здатність до розмноження, з іншого - залежні від щільності популяції процеси, що обмежують відтворення. Авторегуляція щільності популяції - необхідне пристосування підтримки життя в постійно мінливих умовах.

Населення - це найменша эволюционирующая одиниця. Вона існує ізольовано, а у з популяціями інших видів. Тому в природі одночасно широко поширені і позапопуляційні механізми автоматичного регулювання, точніше міжпопуляційні. При цьому популяція є регульованим об'єктом, а як регулятор виступає природна система, що складається з безлічі популяцій різних видів. Ця система загалом і входять до її складу популяції інших видів впливають дану, конкретну популяцію, а кожна окремо зі свого боку впливає всю систему, до складу якої вона входить.

Функціонування та структура біогеоценозів. У біоценозах між різними видамиЖивих організмів виникають певні зв'язки. Основною формою цих зв'язків служать харчові взаємовідносини, з урахуванням яких формуються складні ланцюги і цикли харчування та просторові связи. Саме на харчових і просторових відносинах (трофічних і топічних) будуються різноманітні біотичні комплекси, що поєднують види живих організмів в єдине ціле, тобто. у біологічну макросистему – біогеоценоз.

Природні біогеоценози зазвичай є багатовидовими спільнотами. І чим різноманітніше за видовим складом біоценоз, тим більше можливостей для повнішого й економічного освоєння матеріальних і енергетичних ресурсів.

Всі ланки ланцюга живлення взаємопов'язані та залежні один від одного. Між ними, від першої до останньої ланки, здійснюється передача речовини та енергії (рис. 3.6 а). При передачі енергії з одного трофічного рівня в інший відбувається її втрата. Внаслідок цього ланцюг живлення не може бути довгим. Найчастіше вона складається з 4-6 ланок на суші та 5-8 в океані. У будь-якого ланцюга харчування не вся їжа використовується на зростання особини, тобто. на накопичення біомаси. Частина її витрачається на задоволення енергетичних витрат організму: на дихання, рух, розмноження, підтримання температури тіла та ін. При цьому біомаса однієї ланки не може бути перероблена наступною ланкою повністю. У кожному наступному ланці харчової ланцюга відбувається зменшення біомаси проти попереднім. Це стосується не лише біомаси, а й чисельності особин та потоку енергії.

Це було вивчено Ч. Елтоном і названо пірамідою чисел, чи пірамідою Елтона (рис. 3.6.6). Основу піраміди утворюють рослини - продуценти, над ними розташовуються фітофаги. Наступне ланка представлено консументами другого порядку. І так далі до вершини піраміди, яку складають найбільші хижаки. Число поверхів піраміди зазвичай відповідає числу ланок харчового ланцюга.

Екологічні піраміди виражають трофічну структуру екологічної системи у геометричній формі. Вони можуть бути побудовані з окремих прямокутників однакової висоти, довжина яких у певному масштабі відображає значення вимірюваного параметра. Таким чином можна побудувати піраміди чисел, біомаси та енергії.

Джерелом енергії для біологічного кругообігу речовин є сонячна радіація, що акумулюється зеленими рослинами – автотрофами. З усієї досягає Землі сонячної радіації лише близько 0,1-0,2% енергії вловлюється Зеленими рослинами і забезпечує весь біологічний кругообіг речовин у біосфері. При цьому більше половини енергії, пов'язаної з фотосинтезом, витрачається самими рослинами, а решта акумулюється в тілі рослини і надалі служить джерелом енергії для всієї різноманітності організмів наступних трофічних рівнів.

Функції живої речовини в біосфері різноманітні, але вони служать однієї мети — руху хімічних елементів. Навіщо необхідний цей рух, і яким чином він відбувався 3,5 млрд. років тому, тобто до того, як на Землі з'явилося життя? З моменту своєї появи роль живої речовини в біосфері стала ключовою. Незважаючи на незначну масу, приблизно 10 -6 мас інших оболонок Землі, воно є носієм енергії, завдяки якій цей рух відбувається.

У поняття «жива речовина біосфери» входять усі живі організми планети. Незалежно від того якого класу, виду, роду тощо вони ставляться. Це не лише органічні речовини, а й неорганічні, а також мінерали. «Живе» воно у всіх шарах біосфери – у літосфері, гідросфері та атмосфері. Якщо умови існування непридатні, воно або впадає в стан анабіозу, тобто уповільнює всі свої процеси настільки, що видимі прояви життя практично відсутні або гине.

Відмінні риси та роль

Як відрізнити живу речовину біосфери від неживої?

По-п'яте, існує у всіх фазових станах. По-шосте, є індивідуальним організмом і при зміні поколінь, що характеризується наступністю чи спадковістю.

Жива речовина біосфери забезпечує міграцію хімічних елементів як від одного організму до іншого, так і між організмом та навколишнім середовищем. Переміщення відбувається, коли живі організми перетравлюють їжу, розвиваються та ростуть, а також пересуваючись у процесі життєдіяльності. Перше таке переміщення елементів називається хімічно чи біохімічним, а друге – механічним. Причому діяльність живих організмів прагне того, щоб ця міграція йшла максимально швидко, а енергія, що отримується від Сонця, використовувалася найбільш ефективно. Для цього вони постійно і безперервно пристосовуються, адаптуються та розвиваються.

Функції

Роль живих організмів у біосфері полягає у виконанні ними кількох функцій. Основними з них є: енергетична, деструктивна, концентраційна та середоутворююча.

Енергетична функція. Вона пов'язана із здатністю зелених хлорофільних організмів до фотосинтезу. За допомогою отриманої ними сонячної енергії, вони перетворюють найпростіші сполуки такі як вода, вуглекислий газ і мінерали в складні органічні речовини, які, у свою чергу, є необхідними для існування інших живих істот. Таку здатність мають рослини. Для процесу фотосинтезу вони використовують лише 1% сонячної енергії, що потрапляє на Землю. Щорічно вони виробляють близько 145 млрд тонн кисню, для чого споживають близько 200 млрд тонн вуглекислого газу. Органічної речовини у своїй виробляється понад 100 млрд. тонн. Так рослини поповнюють атмосферу вільним киснем. Якби рослини не робили це постійного, то кисень, як активний хімічний елемент, вступав у реакції та утворював різні сполуки і в результаті зник з атмосфери Землі. А з ним припинило б існування життя. Крім рослин, органічна речовина у дуже невеликій кількості – не більше 0,5% від загальної кількості, виробляють деякі бактерії. Цей процес називається хемосинтез. У ньому задіяна не сонячна енергія, а енергія, що виділяється у процесі реакцій окиснення сірчаних та азотних сполук.

Синтезовані таким чином органічні сполуки - білок, цукор і так далі - разом із укладеною в них енергією є їжею і поширюються по трофічному ланцюгу. Крім того, синтезована рослинами енергія розсіюється як тепло або накопичуватися у відмерлій органічній речовині, переходячи в викопний стан. І в цьому наступна функція деструктивна.

Ця роль живих організмів у біосфері ще зветься мінералізація органічних речовин. В результаті розкладання, відмерла органічна речовина перетворюється на прості неорганічні сполуки. У цьому беруть участь живі організми, виконують деструктивну чи руйнівну функцію. У трофічному ланцюзі вони отримали назву «редуценти». Це гриби, бактерії, черв'яки та мікроорганізми. Результатом розкладання є: вуглекислий газ, води, сірководень, метан, аміак тощо. Які, своєю чергою, є «їжею» для рослин. І процес розпочинається знову.

Важливу роль грає процес розкладання, що у літосфері. Завдяки йому з гірських порід вивільняються такі елементи, як кремній, алюміній, магній та залізо.

Редуценти, за допомогою наявних у їх розпорядженні кислот, «добувають» і «відправляють» у біотичний оборот такі найважливіші хімічні елементи, як кальцій, калій, натрій, фосфор, кремній та різні мікроелементи. Завдяки деструкторам, грунт знаходить свою родючість.

Ще одна функція живих організмів – концентраційна. Під нею мається на увазі процес, коли деякі їх види витягують, а потім накопичують у себе певні хімічні елементи. У цьому випадку концентрація таких елементів, як: вуглець, водень, азот, натрій, магній, кремній, сірка, хлор, калій, кальцій і кисень, може бути в сотні та тисячі разів вищою, ніж у навколишньому середовищі. Наприклад, марганцю у 1200000 разів, срібла – 240000, а заліза – у 65000. Яскравими прикладами такого накопичення можуть бути раковини, панцирі та скелети. З елементами «придатними» для накопичення, деякі види накопичують у собі отруйні, отруйні та радіоактивні речовини. І попадання їх у харчовий ланцюг явно не має позитивного характеру.

Протилежністю концентраційної функції є розсіювальна. Вона проявляється при різних виділеннях, переміщеннях тощо. Наприклад, відбувається розсіювання заліза з крові, при укусах різних комах або кровососних.

Біосфера - це не тільки взаємодія між живими організмами та обмін між ними енергією. Істотна роль живих організмів у біосфері – це її перетворення. Живі організми змінюють фізико-хімічні параметри навколишнього середовища, а така їхня функція отримала назву «средоутворюючою». Вона, як наслідок всіх раніше розглянутих функцій разом. Вилучення хімічних елементів, накопичення їх, а потім, за допомогою отриманої енергії, «відправлення» в дорогу по біологічному кругообігу, призвело до суттєвих змін природного середовища. За мільярди років змінився газовий склад атмосфери, хімічний – вод, з'явилися осадові породи та донні відкладення, виник родючий ґрунтовий покрив. І зараз ми стикаємося з цим впливом.

Перетворюючи зовнішнє середовище, організми створюють оптимальний баланс енергії та «поживної» речовини для свого існування та всієї біосфери в цілому. Цей баланс внаслідок численних внутрішніх та зовнішніх впливів завжди знаходиться під загрозою руйнування. І речовина, за рахунок перерахованих своїх якостей, чинить опір такому впливу, відновлює порушене і приводить систему до стабільного стану.

Розглянуті функції живих організмів у біосфері стосувалися двох етапів перетворення органічної речовини на неорганічну і навпаки. На цих етапах свою роль відіграють рослини, як продуценти, і бактерії, гриби та мікроорганізми, як редуценти. Яка ж роль консументів чи споживачів, основними видами яких є тварини?

Тварини

Найбільш насиченим, з погляду кількості переходів від одного організму до іншого, є етап тим часом, як рослини виробили кисень і закінчується тим, коли загиблий організм потрапив «на стіл» руйнівників.

Наступний рівень використовує трохи більше 1% енергії попереднього. З загибеллю фітофагів та зоофагів, їхні тіла потрапляють до сапрофагів та бактерій. Сапрофаги – це самі руйнівники, редуценти чи могильники. На їхньому «столі» завершує свою подорож органічна речовина. Коло замкнулося. У процесі цього круговороту кількість речовини чи хімічних елементів залишилося колишнє. Яким воно й було мільйони років тому. Витрачено лише енергію. Вважається, що роль тварин у біосфері в тому, що вони сприяють переміщенню хімічних речовин, беруть участь у їхньому розподілі та в обміні енергією. Але їх роль видається дещо ширшою. Як жива самоорганізується біосфера прагнути до рівноваги і підтримки свого внутрішнього балансу. Маса її живої речовини повинна підтримуватись у певному обсязі і цю функцію виконують тварини. Прикладом може бути ті біосистеми, де тваринний світ зник чи межі того. Об'єм речовини в результаті падає, що неухильно призводить до руйнування балансу та загибелі системи.