Природничі науки. 2 частина. 11 клас. Гільберг

Колообіги

Колообіг речовин і перетворення енергії є основою існування біосфери.

Колообіг речовин — це циклічний повторюваний процес взаємопов’язаного перетворення та переміщення речовин у природі, який відбувається за обов’язкової участі організмів.

Основних колообігів речовин у природі два: великий (геологічний) та малий (біогеохімічний) (табл. 11.3).

Окремо виділяють антропогенний колообіг (обмін) — колообіг речовин, де рушійною силою є діяльність людини. Тут виокремлюють два складники: біологічний (пов’язаний з функціонуванням людини як організму) і технічний (пов’язаний з господарською діяльністю людини).

Якщо геологічний і біологічний колообіги певною мірою є замкнутими, то антропогенний — ні. Тому досить часто йдеться про антропогенний обмін речовин.

Таблиця 11.3. Колообіги речовин у природі

Колообіг речовин

Гоологічний

Біогеохімічний

Перерозподілення речовин між біосферою та глибшими горизонтами Землі, зумовлене взаємодією сонячної енергії та глибинної енергії планети. Осадові гірські породи, що утворені в результаті вивітрювання магматичних порід, у рухомих зонах земної кори знову заглиблюються в зону високих температур і тиску. Там вони переплавляються й утворюють магму (джерело нових магматичних порід). Після підняття цих порід на земну поверхню та в процесі вивітрювання вони знову трансформуються в нові осадові породи. Це колообіг води між суходолом й океаном через атмосферу

Це колообіг речовин, який здійснюється в біосфері завдяки організмам. Джерелом енергії колообігу є сонячна радіація, яка запускає фотосинтез. В екосистемі автотрофи з неорганічних речовин синтезують органічні, які стають їжею для гетеротрофів. Унаслідок виділення під час життєдіяльності або загибелі організмів органічні речовини мінералізуються — перетворюються на неорганічні. Ці неорганічні речовини можуть бути використані автотрофами для синтезу органічних речовин.

Розрізняють такі основні типи біогеохімічних колообігів:

колообіги газового типу з резервним фондом в атмосфері або в гідросфері (колообіги Карбону, Оксигену, Нітрогену);

колообіги осадового циклу з резервним фондом у земній корі (колообіги Фосфору, Кальцію, Феруму тощо).

Інтенсивність біологічного колообігу визначена температурою навколишнього середовища та кількістю води

Жива речовина може брати участь у біохімічних процесах і створювати певне середовище, збагачене киснем, вуглекислим газом, воднем, азотом, сполуками Фосфору й іншими речовинами. У природі колообіг здійснюють хімічні елементи, що можуть входити до циклу як прості речовини (Н2, О2, С, N2, S8), і сполуки. Тому основними циклами є колообіги Карбону, Нітрогену, Оксигену та води (мал. 11.12).

Колообіг Карбону. Цей процес полягає у взаємодії живої речовини та сполук Карбону (СО та СО2). Є два типи колообігу Карбону: газоподібного в атмосфері та розчиненого у водах Світового океану. Перший починається з фіксування вуглекислого газу рослинами під час фотосинтезу з утворенням органічних речовин і побічним виділенням кисню. Також під час дихання рослин виділяється вуглекислий газ. Організми, що населяють усі середовища Землі, також виділяють карбон(ІV) оксид. Одним із продуктів розкладання мікроорганізмами та грибами відмерлих решток рослин та тварин є вуглекислий газ, який знову надходить в атмосферу. Колообіг Карбону у Світовому океані є складнішим порівняно із суходолом, оскільки надходження сполук Карбону залежить від надходження кисню у верхні шари гідросфери. Повний цикл обміну Карбону відбувається протягом 300 років.

Головним резервуаром біологічно зв’язаного Карбону є ліси, що містять до 500 млрд т цього елемента (2/3 запасу атмосфери). Утручання людини в колообіг Карбону призводить до підвищення рівня карбон(ІV) оксиду в атмосфері (мал. 11.13).

Мал. 11.12. Основні колообіги хімічних елементів

Мал. 11.13. Колообіг Карбону в природі

Колообіг кисню. Кисень є головним складником живої речовини. Організми використовують його для дихання, він як окисник бере участь в окисно-відновних реакціях у біосфері. Відбувається переважно між організмами й атмосферою. Швидкість колообігу кисню — 2000 років, і за цей час кисень атмосфери проходить через живу речовину біосфери. Основний постачальник кисню — зелені рослини, споживач — тварини, ґрунтові організми та рослини, що використовують його під час дихання.

У 1941 р. біохімік Мелвін Калвін (1911-1997, США) довів, що первинний процес фотосинтезу полягає у фотолізі молекул води, у результаті чого утворюються кисень, що виділяється в атмосферу, і водень, що витрачається на реакції з карбон(ІV) оксидом у результаті яких утворюються органічні речовини. За дослідження в галузі асиміляції вуглекислого газу в рослинах Калвіна вдостоєно в 1961 р. Нобелівської премії з хімії. Під час дихання відбувається біологічне окиснення органічних енерговмісних речовин з виділенням енергії, необхідної для підтримання життєдіяльності організму. Оскільки процеси фотосинтезу й дихання перебувають у рівновазі, накопичення кисню в атмосфері не відбувається. Оксиген зафіксований літосферою у вигляді алюмосилікатів, кремнезему, карбонатів, сульфатів, оксидів Феруму тощо. Загалом у біосфері циркулює 39 • 1014 т Оксигену у складі кисню чи сульфатів, розчинених у гідросфері (мал. 11.14).

Мал. 11.14. Колообіг Оксигену в природі

Колообіг Нітрогену — один з найскладніших циклів, який охоплює всі галузі біосфери. Для включення азоту повітря до колообігу необхідне його фіксування, яке здійснюють лише деякі мікроорганізми (наприклад, аеробні бактерії роду Azotobacter, анаеробні роду Clostridium тощо). Далі відбувається засвоєння фіксованого азоту організмами (переважно рослинами, які поглинають Нітроген у вигляді сполук з Гідрогеном і Оксигеном), рух нітрогеновмісних речовин відбувається ланцюгами живлення. У результаті життєдіяльності організмів складніші сполуки Нітрогену, зокрема білки, розкладаються до простіших (амоніак, азот) і виділяються в навколишнє середовище, а колообіг Нітрогену знову повторюється (мал. 11.15).

Мал. 11.15. Колообіг Нітрогену в природі

Колообіг води. Усі води Землі перебувають у постійному колообігу, який відбувається завдяки сонячній енергії, силі тяжіння й здатності води змінювати агрегатний стан. Легкий перехід води з одного агрегатного стану в інший у глобальних масштабах зумовлює обмінні процеси та зв’язок між оболонками планети (мал. 11.16).

Розрізняють великий і малий колообіги води. У малому колообігу беруть участь атмосфера та гідросфера. До великого колообігу залучені ще літосфера та біосфера. Під час малих колообігів вода випаровується над океаном або над материками та повертається назад туди, звідки й випарувалась у вигляді опадів. Великий колообіг води охоплює всю земну кулю. Вода, що випарувалася над океанами, з повітряними масами мігрує на материки, де випадає у вигляді опадів, а завдяки внутрішнім водам, зокрема річкам, повертається в океан. Опади над суходолом формують поверхневий стік, частина їх інфільтрується в ґрунти й формує підземний стік, а ще частина — може перехоплюватися кронами дерев. Перехоплення води кронами дерев полягає в тому, що частина опадів завдяки великій сукупній поверхні листків випаровується з них, не досягши поверхні ґрунту. Тому, якщо дощ дрібний і короткотривалий, під деревами завжди сухо. Завдяки явищу перехоплення в атмосферне повітря може надходити до 15 % дощової води. Вода опадів, що досягла ґрунту, може безпосередньо випаровуватися з його поверхні. Важливу роль у процесах випаровування води на суходолі відіграють організми. Вода вбирається ними та включається в біохімічні процеси: реакції обміну, біосинтезу, гідролізу, фотолізу. Організми виділяють воду в навколишнє середовище з продуктами обміну речовин, у результаті дихання, випаровування. Випаровуванню ґрунтової води сприяють рослини завдяки своїм надземним органам, насамперед листкам, через які відбувається транспірація1. Вода постачає рослинам розчинені в ній поживні мінеральні речовини, вона необхідна для фотосинтезу. Так, відомо, що середнього віку липа за літній день у середній смузі випаровує воду об’ємом близько 200 л.

Мал. 11.16. Колообіг води в природі

1 Транспірація (від лат. trans — через, spiro — дихання) — випаровування води з поверхні рослин.

Однак, хай там що, вода великими і малими водостоками повертається до Світового океану. Сукупність води, що стікає із суходолу до Світового океану та озер, називають світовим стоком. За рік річки виносять воду об’ємом близько 43 тис. км3. Паралельно з рідким стоком відбувається твердий стік — стік розчинених речовин і твердих завислих частинок, а також біостік (маса організмів, що потрапляють в океан зі світовим стоком). Світовий стік вимиває з літосфери велику кількість солей, чим зумовлено солоність океанічної та морської води.

За хвилину під дією сонячного тепла з поверхні водойм Землі випаровується вода масою 1 млрд тонн. Швидкість циркуляції води дуже велика: вода океанів поновлюється за 2 млн років, ґрунтові води — за рік, річкові — за 12 діб, водяна пара в атмосфері — за 10 діб.

Усі ланки колообігу води пов’язані між собою. Вилучення однієї з них порушує весь процес і може призвести до фатальних наслідків. Так, вирубування лісу на великій площі зумовлює збільшення стоку води в річки і, як наслідок, руйнівні повені та паводки. Забруднення океану нафтою ускладнює випаровування води, а це знижує вміст вологи в атмосфері, зменшує кількість опадів і стік в океан.

Крім того, що завдяки світовому колообігу води існує життя на нашій планеті, він має значення й для інших природних процесів. Відбувається: тісний взаємозв’язок між усіма оболонками Землі; перенесення великої кількості речовин, необхідних для забезпечення життя на Землі; процес самоочищення води у Світовому океані. Великий колообіг води активно впливає на формування клімату нашої планети. Про роль води в обміні речовин, який, власне, і лежить в основі всіх процесів життєдіяльності, ми ще поговоримо згодом.

Біогеохімічний колообіг у біосфері здійснюють й інші хімічні елементи, що входять до складу органічних речовин (Сульфур, Фосфор, Ферум тощо). Колообіги речовин — життєво важливі процеси біосфери, що мільйони років не порушувалися, доки діяльність людини не набула планетарного масштабу. За минуле століття, особливо в останні його десятиліття, антропогенна діяльність призвела до значних порушень колообігу речовин у біосфері. Саме діяльність людини значно пришвидшила процеси вивітрювання гірських порід, зумовила накопичення в атмосфері такої кількості газів, що спричинила розвиток негативних кліматичних змін (парниковий ефект), появу озонових дір і кислотних дощів, деградацію ґрунтів через надмірне накопичення в них токсичних хімічних сполук. Унаслідок збільшення в природних водах, у повітрі та в ґрунтах концентрації важких металічних елементів, нафтопродуктів, пестицидів деградують і гинуть екосистеми, уповільнюються процеси колообігу речовин у біологічному циклі. Людина також створює у великій кількості речовини, що не можуть бути залучені до біологічного колообігу (пластмаси, поліетилен тощо), оскільки вони не розкладаються в біосфері.

ПОДУМАЙТЕ Й ВІДПОВІДАЙТЕ

  • 1. Де закінчуються межі біосфери?
  • 2. Які взаємозв’язки біосфери з іншими оболонками Землі?
  • 3. Розкрийте основні ідеї вчення В. І. Вернадського про біосферу.
  • 4. Назвіть види речовини біосфери. До якого з типів біосферних речовин належить ґрунт? Нафта? Кішка? Вода? Липа?
  • 5. Проаналізуйте зони поширення живої речовини в геосферах планети. Поясніть, із чим пов’язана нерівномірність розподілу живої речовини в різних частинах біосфери.
  • 6. Назвіть функції живої речовини.
  • 7. Поясніть суть колообігів Оксигену, Карбону, Нітрогену в біосфері. Чим відрізняється біологічний колообіг від геологічного?
  • 8. Поясніть слова В. І. Вернадського: «Надзвичайно характерне для всього живого те, що хімічні елементи, раз потрапивши в його цикли, майже з них не виходять, у них залишаються вічно».
  • 9. Прокоментуйте з огляду на вивчене цитати з літературних творів: а) «О, не журися за тіло! Ясним вогнем засвітилось воно, чистим, палючим, як добре вино, вільними іскрами вгору злетіло. Легкий, пухкий попілець ляже, вернувшися, в рідну землицю, вкупі з водою там зростить вербицю, — стане початком тоді мій кінець»1; б) «Що ж до мільярдів дрібних істот, які мільйонами кишать у кожній краплі води, то роль їх не менш важлива. Вони поглинають морські солі, убирають у себе розчинене у воді вапно й у вигляді поліпів і мадрепорових коралів є справжніми рифоутворювачами! Померши, вони знову віддають воді різні мінеральні речовини, а частково відкладають їх у вигляді кістяків на морському дні. У такий спосіб здійснюється вічний колообіг вічне життя!»2.
  • 10. Чому в XXI ст. виникла загроза існуванню біосфери?
  • 11. Аргументуйте або спростуйте твердження: «Людина не панує над природою, вона є її частиною».

ПРАКТИЧНА ЧАСТИНА

ПРАКТИЧНІ РОБОТИ

  • 1. Складання схеми колообігу речовин у природі за участю живих організмів.
  • 2. Використавши різноманітні джерела інформації, заповніть таблицю «Структура біосфери за В. І. Вернадським».

Компоненти біосфери

їхні особливості

Приклади

Жива речовина

Косна речовина

Біокосна речовина

ЗАХИСТ НАВЧАЛЬНИХ ПРОЕКТІВ

  • Еволюція біосфери та людина.
  • Роль людини в еволюції біосфери.
  • Біотичні колообіги.
  • Портрет В. І. Вернадського як людини та науковця.
  • Проект «Біосфера-2»: провал чи досягнення?

1 Леся Українка, «Лісова пісня».

2 Жуль Верн, «20 000 льє під водою».

Попередня
Сторінка
Наступна
Сторінка

Зміст