Підручник з Біології і екології. 11 клас. Шаламов - Нова програма

§ 21. Біогеохімічні цикли

Біогеохімічні цикли забезпечують тривале існування біосфери Землі

Як вам відомо з попереднього параграфа, однією з властивостей біосфери є наявність у ній колообігів хімічних елементів. Ці колообіги отримали наукову назву біогеохімічні цикли1. У них беруть участь як організми, так і неживі оболонки Землі — атмосфера, гідросфера та літосфера. Біотична частина циклів є рухомою — вона забезпечує швидкий перехід атомів з одних сполук до інших, а от абіотична — малорухомою, оскільки в ній елементи накопичуються й рідко переходять зі складу одних сполук до складу інших. А втім, саме в неживій частині циклів знаходиться найбільша кількість атомів хімічного елемента. Основним джерелом енергії для руху атомів біогеохімічним циклом є Сонце, енергію якого використовують організми для забезпечення власної життєдіяльності. Оскільки все живе на 98 % складається з чотирьох хімічних елементів — Карбону, Оксигену, Нітрогену й Гідрогену, то в цьому параграфі йтиметься саме про їхні колообіги.

Наявність біогеохімічних циклів дозволяє біосфері існувати протягом тривалого часу, оскільки забезпечує повернення необхідних елементів у неживе середовище, звідки вони можуть бути знову поглинені наступними поколіннями організмів. Завдяки цьому підтримується сталість хімічних умов середовища мешкання. За відсутності колообігів життя на Землі припинилося б після вичерпання ресурсів довкілля, бо нові порції речовини майже не надходять на нашу планету з космосу. На це варто зважати й людству: ми живемо на «острові» посеред Всесвіту, і коли все корисне, що є на Землі, буде використано, то нам не залишиться ніякого матеріалу для виробництва. Тому цивілізація повинна максимально економити ресурси, забезпечувати їхнє багаторазове повторне використання й переробку задля відновлення планетарних запасів.

У колообігу Карбону беруть участь усі організми на планеті

Карбон є основою органічних сполук і входить до складу всіх без винятку організмів. У природі атоми Карбону наявні в складі різноманітних сполук: викопних вуглеводнів (нафта, природний газ), простих неорганічних сполук (вуглекислий газ, карбонати) і, звісно, органічних сполук. В атмосфері Карбон наявний переважно в складі вуглекислого газу й метану, у літосфері — у вигляді вугілля, нафти, карбонатів, графіту та інших сполук.

Колообіг Карбону (рис. 21.1) в екосистемах пов'язаний із двома основними процесами — фіксацією вуглекислого газу в процесі фотосинтезу (чи зрідка хемосинтезу) та його поверненням до атмосфери під час дихання. Автотрофні організми (продуценти) здатні відновлювати неорганічний вуглекислий газ і включати Карбон до складу вуглеводів та інших органічних речовин. Далі у складі цих сполук Карбон передається трофічним ланцюгом до консументів і, зрештою, потрапляє до відмерлих решток. Під час дихання рослин і тварин, а також розкладання мертвих решток редуцентами Карбон органічних речовин окиснюється й повертається до складу вуглекислого газу. Останній виділяється в атмосферу, завдяки чому підтримується постійний його вміст у повітрі на рівні 0,04 %.

1 Від грец. bios — живе та geo — Земля.

Рис. 21.1. Колообіг Карбону в природі

У більшості стабільних екосистем процеси фіксації та вивільнення вуглекислого газу збалансовані. Виняток становлять ті екосистеми, у яких біомаса в певний спосіб вилучається з колообігу. Насамперед, це відбувається в морських екосистемах, у яких мертві рештки опускаються на дно, де гниття сповільнене через низькі температури та малий уміст кисню. Серед наземних екосистем подібне є характерним, наприклад, для боліт. У результаті частина Карбону постійно вилучається з циклу й захоронюється у вигляді паливних копалин (торфу, вугілля, природного газу, нафти) чи осадових порід, утворених, здебільшого, карбонатами (СО32-).

А от ліси, попри те що поглинають десятки гігатонн вуглекислого газу на рік, приблизно стільки ж виділяють назад до атмосфери. Це в жодному разі не означає, що ліси некорисні для планети та їх вирубування ні до чого поганого не призводить. Річ у тім, що до складу дерев входить величезна кількість Карбону, який унаслідок використання деревини швидко повертається назад до колообігу у вигляді вуглекислого газу (докладніше про вплив діяльності людини на атмосферу йтиметься в § 24). Активне використання енергії паливних копалин шляхом їх спалювання на підприємствах чи в транспортній галузі задля отримання енергії також спричиняє збільшення вмісту СО2 в атмосфері. Вуглекислий газ слугує, так би мовити, атмосферним теплоізолятором для планети, оскільки розсіює й не пропускає теплове (інфрачервоне) випромінювання від її поверхні назад до космосу. Тому збільшення кількості СО2 в атмосфері спричиняє зростання середньої температури, зміни клімату та численні стихійні лиха.

Рушійна сила колообігу Оксигену — процеси дихання й фотосинтезу

Оксиген поряд із Карбоном входить до складу більшості органічних сполук організмів. Утім його вагома частка міститься в літосфері у вигляді кремнезему (SiO2), оксидів металів та оксигеновмісних солей. Рослини засвоюють Оксиген літосфери, поглинувши нітрати, сульфати й фосфати з ґрунту.

Іншим резервуаром Оксигену є атмосфера, де він міститься, здебільшого, у вигляді молекул кисню й вуглекислого газу. Рослини поглинають вуглекислий газ у процесі фотосинтезу. Також під час нього вони поглинають атоми Оксигену молекул води. Унаслідок фотосинтезу Оксиген накопичується в органічних речовинах організмів, а також вивільняється до атмосфери у вигляді кисню.

Оксиген органічних речовин передається харчовими ланцюгами й потрапляє до відмерлих решток або використовується для отримання енергії під час дихання. Й аеробне дихання, і гниття органіки відмерлих решток потребують кисню з атмосфери. Під час цих процесів атоми Оксигену кисню переходять до води й вуглекислого газу, які потрапляють у довкілля. Отже, завдяки процесам фотосинтезу й дихання виникає внутрішній колообіг Оксигену (як і Карбону) між біосферою й атмосферою (рис. 21.2).

Частина атомів Оксигену, що містяться в організмах, переходять до літосфери у вигляді осадових порід (наприклад, вапняку): здебільшого, це черепашки молюсків і морських одноклітинних організмів. І, зрештою, існує безпосередній зв'язок між атмосферою й літосферою, бо процеси окиснення деяких речовин відбуваються на поверхні ґрунту. Отже, за аналогією до колообігу Карбону атмосфера, гідросфера та літосфера пов'язані в біогеохімічному циклі Оксигену завдяки діяльності організмів.

Рис. 21.2. Колообіг Оксигену в природі

Не варто забувати, що так було не завжди. Оксиген у формі кисню з'явився в атмосфері близько 2,5 млрд років тому завдяки діяльності фотосинтетичних бактерій. Це докорінно змінило всю біосферу, спричинивши кисневу катастрофу, у якій загинула більшість анаеробних організмів. І з того часу хімічні сполуки, що контактують із повітрям, окиснюються (наприклад, залізо іржавіє), бо через наявність у нашій атмосфері кисню вона має окисний характер. Але кисень в атмосфері сприяв і активізації життя: навчившись ним дихати, живі істоти почали видобувати набагато більше енергії з поживних речовин, ніж окиснюючи їжу без нього. Як і вогонь перед предками людей, «спалювання» поживних речовин у кисні відкрило перед живим світом нові можливості й сприяло появі багатоклітинних організмів та освоєнню життям суходолу.

Колообіг Нітрогену неможливий без бактерій

Нітроген — один із найважливіших хімічних елементів, що входять до складу організмів. Він є необхідним компонентом як носіїв спадковості — нуклеїнових кислот, так і білкових каталізаторів — ферментів, а також багатьох інших сполук, наприклад хлорофілу чи гему в гемоглобіні. Повітря, яким ми дихаємо, на 78 % складається з азоту. Але він не може бути використаний організмами тому, що хімічний зв'язок у молекулі N2 дуже міцний, і щоб розірвати його, необхідна велика кількість енергії.

У промисловості для того, щоб розірвати зв'язки в цій молекулі, наприклад, для виробництва амоніаку, потрібні висока температура, тиск і каталізатор. У природі з цим завданням можуть упоратися лише деякі ґрунтові мікроорганізми — азотфіксувальні бактерії. Вони переводять атмосферний азот (N2) у доступну для засвоєння рослинами форму амоніаку (NH3). Багато азотфіксувальних бактерій існують у симбіозі з рослинами. Деякі, наприклад, формують бульбочки на корінні представників родини Бобові (гороху, квасолі та інших рослин), але є й азотфіксатори, що вільно живуть у ґрунті (рис. 21.3).

Загалом більшість ключових етапів колообігу Нітрогену (рис. 21.4) у природі пов'язані з діяльністю бактерій. Нітрифікувальні бактерії трансформують амоніак, що утворюється азотфіксувальними бактеріями, на нітрити (NO2-) та нітрати (NO3-), які рослини можуть використовувати для синтезу нітрогеновмісних органічних сполук. Тварини отримують сполуки Нітрогену, поїдаючи рослини чи інших тварин. Таким чином Нітроген транспортується екосистемою в складі органічних речовин завдяки трофічним ланцюгам.

Рис. 21.3. Бульбочки азотфіксувальних бактерій на корінні сої

А. Зовнішній вигляд. Б. Поперечний переріз кореневої бульбочки. Видно рослинні клітини, наповнені бактеріями-симбіонтами (фіолетові крапки).

Рис. 21.4. Колообіг Нітрогену в природі

Зрештою, Нітроген із органічних сполук мертвих організмів чи відходів життєдіяльності повертається у довкілля. Складні органічні сполуки решток у процесі амоніфікації розпадаються з утворенням амоніаку. З другого боку, частина нітратів і нітритів піддається денітрифікації з утворенням молекулярного азоту й газоподібних оксидів Нітрогену (N2O, NO), які повертаються до атмосфери. Обидва процеси здійснюють ґрунтові бактерії.

Кількість Нітрогену, що зв'язується ґрунтовими мікроорганізмами, уже давно не забезпечує потреб аграрної промисловості. На сьогодні внесення до ґрунту нітрогеновмісних добрив є необхідною умовою існування сільського господарства, а їхнє виробництво поглинає понад 80 млн тонн атмосферного азоту на рік. Для порівняння: ґрунтові бактерії зв'язують на рік близько 100 млн тонн азоту. Однак надмірне застосування добрив спричинило появу нових проблем, пов'язаних із забрудненням довкілля. Одна з них виникає при змиванні азотних добрив в озера та інші водойми. Унаслідок цього виникає евтрофікація, про яку йшлося в § 19.

Іншим шляхом потрапляння Нітрогену до ґрунту є випадання його із кислотними опадами. Оксиди Нітрогену, що утворюються як викиди промисловості й транспорту1, потрапляють до атмосфери, де, взаємодіючи з водою, утворюють нітритну (HNO2) і нітратну кислоти (HNO3) (рис. 21.5). Разом із дощем вони потрапляють у землю, спричиняючи закислення ґрунту й води, що негативно відбивається на чисельності рослин в екосистемах (докладніше про кислотні опади читайте в § 24).

1 Частина оксидів Нітрогену утворюється також при взаємодії кисню й азоту в атмосфері під час блискавки.

Рис. 21.5. Нітроген(IV) оксид надає рудого кольору промисловим викидам

Життєві запитання — обійти не варто!

Елементарно про життя

• 1. Відсутність біогеохімічних циклів на Землі спричинила б

  • А потрапляння всіх оксигеновмісних сполук до космосу
  • Б довічне накопичення Карбону в кількох основних сполуках
  • В зникнення літосфери
  • Г пожвавлення переходу Нітрогену зі сполуки до сполуки

• 2. Які два процеси мають взаємопротилежний вплив на концентрацію вуглекислого газу в атмосфері?

  • А дихання й розкладання мертвих решток
  • Б використання людиною паливних копалин і дихання
  • В розкладання мертвих решток і фотосинтез
  • Г фотосинтез і хемосинтез

• 3. Під час якого процесу ґрунт збагачується оксигеновмісними сполуками?

  • А дихання
  • Б поглинання рослинами оксигеновмісних солей
  • В розкладання мертвих решток
  • Г утворення осадових порід

• 4. Завдяки яким організмам кількість амоніаку в ґрунті зменшується?

  • А амоніфікувальним бактеріям
  • Б азотфіксувальним бактеріям
  • В нітрифікувальним бактеріям
  • Г денітрифікувальним бактеріям

• 5. Увідповідніть тип бактерій і перетворення, які вони здійснюють.

  • 1 нітрифікація
  • 2 денітрифікація
  • 3 азотфіксація
  • 4 амоніфікація
  • А NH3 -> NO3-
  • Б N2 -> NO3-
  • В органічні речовини -> NH3
  • Г N2 -> NH3
  • Д NO3- -> N2

У житті все просто

• 6. Проаналізуйте біогеохімічний цикл Карбону в природі. Схарактеризуйте можливі дії з боку людства, що сприятимуть зменшенню кількості вуглекислого газу в атмосфері.

• 7. Як зміниться колообіг Оксигену у разі припинення кисневого фотосинтезу?

• 8. Загальна швидкість якого процесу в природі більша — нітрифікації чи денітрифікації? Обґрунтуйте причину різниці у швидкостях.

У житті не все просто

• 9. Дуже часто цикли Карбону й Оксигену об'єднують у єдиний цикл. Створіть такий цикл і продемонструйте його на уроці. Чому таке об'єднання є можливим?

• 10. Проблемою азотфіксації є наявність кисню в середовищі, що може пригнічувати перетворення азоту на амоніак. Як азотфіксувальні бактерії вирішують проблему кисню?