Підручник з Біології і екології (рівень стандарту). 11 клас. Андерсон - Нова програма

§ 32. Біогеохімічні цикли як необхідна умова існування біосфери

Що таке колообіг речовин і потоки енергії в екосистемах?

Як відомо, продуценти засвоюють енергію Сонця й залучають її в біогеохімічні цикли через процес фотосинтезу, який здійснюється переважно організмами, що мають хлорофіл. Процеси фотосинтезу тривають уже понад 1,5 млрд років і, здавалось, хімічні елементи, що беруть участь у цих процесах, повинні були б уже давно вичерпатись. Однак цього, як ви знаєте, не відбувається. Насправді всі потрібні для підтримання життя речовини не вичерпуються завдяки здійсненню постійного колообігу.

У природі існує два типи колообігу елементів: великий (геологічний) і малий (біологічний). Великий колообіг полягає в тому, що гірські породи руйнуються й вивітрюються в результаті ерозії, а утворені продукти за допомогою води й вітру зносяться у Світовий океан. Унаслідок цього утворюються морські нашарування, що згодом повертаються на суходіл, і процес починається знову. Малий колообіг, який є частиною великого, відбувається на рівні екосистем.

Біогеохімічний цикл (колообіг речовин) - система незамкнених і незворотних колообігів хімічних речовин у неорганічній природі через організми в органічну природу.

Біогеохімічний цикл у біосфері. Колообіг речовин - це обмін речовинами між абіотичною та біотичною частинами екосистеми. У біосфері постійно триває колообіг води (рис. 155), Карбону, Оксигену, Нітрогену й інших хімічних елементів, що входять до складу організмів.

Рис. 155. Біогеохімічний цикл води

Складіть оповідання «Подорож води в біосфері», використовуючи цю схему.

Біогеохімічний цикл Карбону. Під час фотосинтезу рослини засвоюють Карбон, що надходить до листків з повітря в складі вуглекислого газу, утворюючи вуглеводи. За таких умов відбувається перетворення сонячної енергії в хімічну. Як ви вже знаєте, у цьому полягає космічна роль зелених рослин. Під час дихання рослин частина вуглеводів окиснюється, і вуглекислий газ виділяється в повітря. Більша частина вуглеводів накопичується в рослинах. Крім того, у рослинах утворюються білки, ліпіди та інші органічні речовини.

Надалі рослини поїдаються гетеротрофними організми. Отже, сполуки, синтезовані рослинами, рухаються ланками трофічних ланцюгів. Під час дихання вуглеводи окиснюються. За рахунок вивільнення енергії відбуваються всі життєві процеси, а вуглекислий газ виділяється в повітря. Розкладання відмерлих організмів здійснюється за участю бактерій. При цьому також відбувається окиснення Карбону з утворенням вуглекислого газу. Унаслідок розкладання організмів за відсутності кисню утворюються торф, кам'яне вугілля, нафта, сланці. Людина спалює їх, використовуючи як джерело енергії, і вуглекислий газ також потрапляє в атмосферу. Так коло замикається, і розпочинається новий цикл уключення Карбону до складу органічних сполук, що їх синтезують рослини (рис. 156).

Біогеохімічний цикл Оксигену. Кисень атмосфери має біогенне походження. Він постійно надходить в атмосферу завдяки фотосинтезу. Кисень під час дихання використовують аеробні організми. Одним з кінцевих продуктів окиснення є вуглекислий газ. У сполуці з Карбоном Оксиген повертається в навколишнє середовище, щоб знову потрапити до фотосинтезувальних організмів. Оскільки вивільнення енергії з органічних і неорганічних сполук супроводжується розщепленням їх у процесі окиснення, то колообіг Оксигену забезпечує колообіг усіх біогенних елементів. Унаслідок колообігу речовин у біосфері відбувається безперервна міграція елементів.

Рис. 156. Біогеохімічний цикл Карбону

Створіть просвітницький проект «Значення кисню для життя на Землі», використовуючи інтернет-джерела.

Біогеохімічний цикл Нітрогену. Нітроген у вигляді газоподібних сполук перебуває в повітрі, у вигляді органічних сполук - в організмах, у вигляді солей амонію, нітратів і нітритів - у ґрунті. У колообіг азот залучається завдяки біологічній (бактерії, ціанобактерії), промисловій (виробництво мінеральних добрив) і атмосферній (блискавка) азотфіксаціям. Завдяки цим процесам атмосферний азот перетворюється в нітрати, які можуть засвоюватися рослинами. Іншим джерелом Нітрогену для рослин є розкладання органічних решток, унаслідок чого утворюються сполуки амонію, сечовина та амоніак. Ці сполуки завдяки діяльності нітрифікувальних бактерій також перетворюються в речовини, доступні для рослин. Повернення Нітрогену в атмосферу відбувається внаслідок розкладання сполук, що містять цей елемент, до вільного азоту та кисню ґрунтовими бактеріями. Людина своєю діяльністю значно впливає на колообіг Нітрогену. Систематичне застосування азотних добрив зумовлює збільшення концентрації сполук Нітрогену в ґрунтах, водах, продуктах харчування (рис. 157).

Роль організмів у перетворенні оболонок Землі. Організми беруть участь в утворенні осадових порід, ґрунтоутворенні, підтриманні сталості газового складу атмосфери. Осадові породи виникають на дні водойм унаслідок нашарування різних нерозчинних речовин, значна частина яких має біогенне походження. З решток організмів, які впродовж життя накопичують у своїх скелетах, мушлях, панцирах карбонати, фосфати, силіцій(IV) оксид, утворюються осадові породи (крейда, кремнезем, радіолярити, діатоміти, вапняк). Торф і кам'яне вугілля утворилися за певних умов перетворень відмерлих решток рослин - мохів та викопних вищих спорових. Поклади залізної руди - це результат діяльності залізобактерій. Існують докази біогенного походження нафти, природного газу й горючих сланців (рис. 158).

Рис. 157. Біогеохімічний цикл Нітрогену

Які чинники впливають на порушення природного колообігу Нітрогену? Як це впливає чи може впливати на організм людини?

Руйнування гірських порід також пов'язане з діяльністю організмів. Наприклад, лишайники, оселяючись на скелях, виділяють органічні кислоти, що руйнують гірські породи.

Унаслідок діяльності різноманітних організмів тривають процеси ґрунтоутворення: розкладання органічної речовини на мінеральні сполуки, утворення гумусу та його розкладання, розкладання й утворення мінеральних сполук.

Життєдіяльність організмів спричиняє зміну газового складу атмосфери - на початку розвитку біосфери він значно відрізнявся від сучасного. В атмосфері було багато водяної пари, вуглекислого газу, сірководню, метану, однак не було вільного кисню, а отже й озонового шару. Через це ультрафіолетові промені без перешкод досягали поверхні Землі, і життя могло існувати лише у водному середовищі, оскільки вода поглинала ці промені. Завдяки діяльності фотосинтезувальних ціанобактерій газовий склад атмосфери поступово змінювався: зменшувався вміст вуглекислого газу, метану, амоніаку; утворилися вільний кисень, а з ним і озоновий шар. Це створило передумови виходу життя на суходіл.

Людина небувало прискорила колообіг деяких речовин - родовища корисних копалин, які природа накопичувала мільйони років, швидко вичерпуються. Ми швидкими темпами використовуємо енергію, накопичену у вугіллі, нафті, природному газі, а також вивільняємо енергію, що міститься в урані. Людство є чинником, який суттєво порушує рівновагу в біосфері.

Рис. 158. Осадові породи

Крейда

Вапняк

Кам'яне вугілля

Використовуючи інтернет-джерела, наведіть інші приклади, що ілюструють роль організмів у перетворенні оболонок Землі.

  • 1. Дайте означення поняття біогеохімічний цикл.
  • 2. Схарактеризуйте біогеохімічний цикл (на вибраному вами прикладі).
  • 3. Обґрунтуйте про роль організмів у перетворенні оболонок Землі.