Біологія. 9 клас. Козленко
Глобальні біогеохімічні цикли
Запам’ятайте терміни: колообіг, фонд, потік
Колообіг речовин і потік енергії в екосистемах
В межах кожної екосистеми між її компонентами відбувається обмін речовиною, енергією та інформацією. Зміни у перших двох підпорядковуються законам збереження маси та енергії. Однак принцип дії цих законів для маси та енергії різний. Речовина може нескінченно переходити з однієї форми в іншу, розпадатися на атоми та молекули. Ці атоми та молекули входять до складу нових речовин, таким чином нескінченно мігруючи.
На відміну від речовини, енергія при кожному своєму перетворенні частково переходить у стан, який неможливо використати для виконання роботи — зокрема, в тепло. Коефіцієнт корисної дії будь-якого перетворення енергії не може бути більшим або дорівнювати 100%. Отже, можна говорити про колообіг речовини в природі, але не про колообіг енергії — лише про її потік в межах системи.
Біогеохімічні цикли
Елементний склад живих організмів є дуже різноманітним. Найважливішими для живих істот хімічними елементами є так звані біогени. До них належить приблизно половина хімічних елементів земної кори. Серед біогенів найважливішими є органогени — елементи, з атомів яких побудовані всі органічні сполуки (С, H, N, О), макроелементи (P, S, Cl, Са, K, Mg, Fe, Na, Cu, Zn) та мікроелементи (V, Mo, В, Со, Si, Se, Cr, Ni, I, F, Sn, As та інші).
Для того, щоб організми могли включати ці елементи до свого складу, потрібно, щоб вони знаходилися в середовищі в доступній формі. Наприклад, Нітроген у вигляді атмосферного азоту не засвоюється живими організмами напряму. Включення його до біохімічних процесів можливе лише завдяки діяльності бактерій роду Rhizobium, що перебувають у симбіозі з корінням бобових рослин. Атоми Нітрогену, які бактерії фіксують з азоту повітря, спочатку включається в обмін речовин бобових рослин, а потім через трофічні ланцюги — у метаболізм інших живих істот.
Рано чи пізно атоми біогенів покидають межі живого організму та переходять у зовнішнє середовище. Для підтримання сталого елементного складу організмів на місце цих атомів повинні прийти нові. Таким чином процес включення в та виключення з організму елементів є неперервним та циклічним. Сукупність відносно замкнених шляхів переміщення речовин через живі організми та середовище їх існування називається біогеохімічним циклом. Переміщення елементів в ході біогеохімічного циклу є можливим завдяки трьом основним джерелам енергії:
- 1. Енергії Сонця, перетворена атмосферою та гідросферою. Сонце обігріває земну поверхню — як сушу, так і воду. Суша під сонячним промінням нагрівається, а вода — випаровується. Внаслідок такого нерівномірного нагрівання відбувається переміщення повітряних мас, що призводить до циркуляції води у масштабах планети.
- 2. Енергія Сонця, накопичена через фотосинтез. Фотосинтез є найважливішим процесом для накопичення енергії живими організмами. Автотрофи здійснюють цей процес і через трофічні ланцюги передають накопичену енергію гетеротрофам.
- 3. Енергія самої планети Земля. Як відомо, літосферні плити, на яких розташовані континенти, перебувають у неперервному русі. Процеси, що супроводжують даний рух, призводять до підйому елементів на поверхню планети, де вони піддаються вивітрюванню і внаслідок цього можуть використовуватися живими організмами. Наслідком тектонічних рухів плит є також осадовий цикл — переміщення біогенів з живої речовини в осадові породи.
Колообіг речовин в біосфері
У біосфері спостерігаються глобальні біогеохімічні цикли. Потік енергії у біосфері спостерігається постійно. Колообіг речовин та притік сонячної енергії є основами існування біосфери.
Біогеохімічні цикли включають в себе фонди — сукупності речовин, що містять певний елемент у певній формі та потоки — шляхи перетворення елемента, внаслідок яких він переходить між фондами. Існують обмінні фонди, у яких перехід речовини відбувається стрімко і часто, та резервні, у яких такі процеси відбуваються повільно. Ті цикли, у яких є резервні фонди у атмосфері та гідросфері, ефективніше регулюються живими організмами. Людина своєю господарською діяльністю значно втручається у біогеохімічні цикли, що призводить до порушення балансу перетворення речовини та енергії.
Колообіг води. Одним із наймасштабніших глобальних біогеохімічних циклів є колообіг води (мал. 45). Вода на Землі здебільшого зосереджена у Світовому Океані. Нагрівання поверхні Світового Океану сонячними променями призводить до масштабного випаровування води в атмосферу. Випарувана вода транспортується рухомими повітряними масами. Частина цієї води у вигляді опадів потрапляє на сушу. Там вона потрапляє у ґрунт, а звідти — у підземні води, а також у річки та інші прісні водойми. Воду з ґрунту використовують здебільшого рослини та гриби, а з прісних водойм — тварини. Частина наземної води повертається у Світовий Океан через річки, що впадають у моря, а частина — знову переходить в атмосферу завдяки випаровуванню (транспірації) рослин, а також диханню та виділенню тварин. Та частина води, що потрапляє в атмосферу над Світовим океаном, з опадами повертається до нього безпосередньо.
Можна зробити висновок, що колообіг води підтримується взаємодією фізичних та біологічних процесів. Роль живих організмів, зокрема, рослин у підтриманні даного циклу зводиться не лише до транспірації. Так, рослини утримують воду у ґрунті та регулюють стікання її до річок.
Мал. 45. Колообіг води: чорні цифри — фонди колообігу (у 1014 тон), сірим — потоки (у 1014 тон на рік)
Колообіг Карбону. Карбон є основою органічних сполук, тому цикл Карбону має особливе значення для живих організмів. Найважливішою особливістю даного циклу є наявність запасів вуглекислого газу CO2 в атмосфері, звідки його можуть поглинати живі організми (мал. 46).
Серед живих організмів основними споживачами сполук Карбону неорганічного походження є рослини. У процесі фотосинтезу вони засвоюють атмосферний вуглекислий газ та перетворюють його в органічні сполуки, перш за все глюкозу. Карбон в органічних сполуках через трофічні ланцюги потрапляє до організмів тварин, де виконує велику кількість функцій, в тому числі структурну — побудови самого організму. У деяких безхребетних Карбон у вигляді неорганічних сполук (карбонатів) виконує функцію зміцнення опорних структур — його сполуки відкладаються у черепашках молюсків та найпростіших, коралів у коралових рифах тощо.
З іншого боку, Карбон у складі вуглекислого газу активно виділяється у процесі дихання живих організмів. Перехід Карбону у компоненти неживої природи здійснюється шляхом формування покладів його твердих сполук. Такі відклади у подальшому перетворюються у поклади гірських порід, перш за все вапняку. Вивітрювання цих порід повертає сполуки Карбону у доступну для живих організмів форму, однак відбувається це дуже повільно. Отже, біогеохімічний цикл Карбону є доволі нерівномірним і незамкненим.
Мал. 46. Колообіг Карбону
Колообіг Нітрогену. Нітроген є надзвичайно важливим для живих організмів, у першу чергу тому. що є невід’ємним компонентом амінокислот, із яких складаються білки. Основною сполукою, в якій акумульований Нітроген повітря, є атмосферний азот. Хоча вміст азоту в атмосфері є у сотні разів вищим, ніж вміст вуглекислого газу, засвоєння живими організмами азоту відбувається набагато менш активно. Це пов’язано з тим, що Нітроген у формі молекули азоту є хімічно інертним і не може засвоюватися живими істотами. Формами, у яких Нітроген може включатися у реакції метаболізму живих організмів, перш за все — рослин, є йони амонію та нітрат-йони. Амоній є більш вигідним для рослин з хімічної точки зору, оскільки така форма є ближчою до тієї, в якій Нітроген міститься в амінокислотах. Однак у великих кількостях амоній є токсичним для рослин, а нітрати — ні.
Фіксація Нітрогену у доступні для живих організмів форми здійснюється бактеріями. Серед них можуть бути як вільноживучі, так і симбіонти (наприклад, бульбочкові бактерії на корінні бобових рослин).
Нітроген з повітря може фіксуватися також без участі живих організмів, так званим абіогенним шляхом. Зокрема, це може відбуватися під дією сильного електричного розряду — удару блискавки.
Вилучення сполук Нітрогену з ґрунту відбувається швидше, ніж його фіксація. Особливо великих масштабів це набуває у межах штучних екосистем — посівів культурних рослин. Тому людина вводить сполуки Нітрогену у ґрунт штучно. Засоби, що містять такі сполуки, називаються азотними добривами. Такі добрива можуть бути природними (гній свійських тварин) та штучними. Також повернення сполук Нітрогену у ґрунт забезпечується діяльністю редуцентів, що розкладають білки, з яких складаються тіла живих організмів.
Колообіг Фосфору. Ще одним ключовим компонентом біомолекул є Фосфор. Доступними для живих організмів сполуки Фосфору, що містяться у літосфері, стають унаслідок підйому гірських порід на поверхню планети з подальшим їх вивітрюванням. Сполуки Фосфору потрапляють до рослин через ґрунт і передаються далі по трофічних ланцюгах. Повернення цих сполук у ґрунт відбувається завдяки діяльності редуцентів. Частина фосфоровмісних сполук змивається в Світовий Океан.
Водні організми теж засвоюють та виділяють Фосфор. Частина сполук цього елемента в океані осідає на дно та повертається до складу гірських порід.
- 1. Намалюйте схему колообігу Нітрогену, позначивши на ній основні потоки та фонди.
- 2. Спробуйте описати колообіг Оксигену.
- 3. Який з наведених колообігів в найбільшому ступені залежить від діяльності живих організмів?
Обговоріть у групах
Наведіть приклади того, як людина впливає на потоки та фонди колообігів елементів. Як вона збільшує фонді? Зменшує? Як вона прискорює певні потоки? Пригальмовує?
