Біологія. Комплексна підготовка до ЗНО і ДПА
Кругообіг речовин та енергії в біосфері
Біологічний кругообіг — циркуляція речовин між ґрунтом та живими організмами.
Ланками біологічного кругообігу є:
- створення в процесі фотосинтезу органічних речовин рослинами (первинна продукція);
- перетворення первинної продукції у вторинну (тваринну);
- руйнування первинної і вторинної продукції бактеріями і грибами.
Біогенна міграція атомів — циркуляція хімічних елементів між організмами і середовищем. На поверхні суші і моря переважає процес накопичення органічних речовин, а в ґрунті і глибинах гідросфери — процес мінералізації.
Біогенна міграція атомів відрізняється від такої у неживій природі. Для біогенної міграції характерна концентрація та акумуляція елементів у живих організмах. Біогенну міграцію атомів зумовлюють три процеси: обмін речовин, ріст і розмноження організмів.
Кругообіг у вигляді біогеохімічних циклів є необхідною умовою існування біосфери. Термін «біогеохімічні цикли» на початку XX ст. запровадив академік В. І. Вернадський.
Кругообіг хімічних елементів у біосфері являє собою процеси перетворення і переміщення речовини. За своєю природою це повторні, взаємозв’язані фізико-хімічні та біологічні процеси.
Кругообіг Карбону. В атмосфері міститься 0,03 % вуглекислого газу. Біологічний кругообіг Карбону здійснюється майже в 7 разів швидше, ніж Оксигену. Це пояснюють тим, що в атмосфері Карбону міститься значно менше, ніж Оксигену.
Карбон входить до складу всіх органічних сполук. Перша ланка його кругообігу — поглинання Карбону, що входить до складу вуглекислого газу, рослинами в ході фотосинтезу. Поглинутий карбон використовується для синтезу органічних речовин. У процесі життєдіяльності рослин під час дихання частина органічних сполук окиснюється до вуглекислого газу і води зі звільненням енергії. При цьому карбон у складі вуглекислого газу повертається в атмосферу.
Друга ланка кругообігу Карбону — використання органічних речовин тваринами, які поїдають рослини або інших тварин, і повернення частини Карбону в атмосферу в результаті їхньої життєдіяльності.
Третя ланка — розкладання мертвої органічної речовини в ґрунті мікроорганізмами, що також супроводжується виділенням вуглекислого газу. Усі мешканці ґрунту виділяють у процесі життєдіяльності вуглекислий газ — це так зване «ґрунтове дихання». Повного розкладання органічних речовин у ґрунті звичайно не відбувається, вони накопичуються в ньому у вигляді перегною.
Кругообіг Карбону дещо ускладнює участь Світового океану. Річ у тім, що частина Карбону виключається з біологічного кругообігу і переходить в осадові породи — вапняки, а також корали. Крім того, у морській воді, особливо у глибинних шарах, містяться розчинні сполуки Карбону у вигляді вугільної кислоти й карбонатів. Океан є своєрідним «депо» вуглекислого газу. Атмосфера і Світовий океан безперервно обмінюється вуглекислим газом шляхом дифузії. Карбон гідросфери живі організми також використовують у процесі фотосинтезу і для побудови вапнякових скелетів (губки, кишковопорожнинні, молюски та ін.). Частина Карбону виключається з біологічного кругообігу в результаті його накопичення в торфі, сланцях, нафті, вугіллі.
Усі живі істоти дихають. При цьому Карбон, який міститься в органічних речовинах, у вигляді вуглекислого газу знову надходить до атмосфери. Крім того, його утворюють мікроорганізми під час мінералізації органічних речовин. У живій речовині процеси асиміляції і виділення Карбону під час дихання практично врівноважені. Лише близько 1 % Карбону відкладається у вигляді торфу, тобто вилучається з кругообігу.
До атмосфери Карбон також надходить у результаті господарської діяльності: під час спалювання органо-мінерального палива — вугілля, газу, нафти і продуктів її переробки та ін. Енергетичні ресурси, які ми зараз маємо, утворились завдяки діяльності живих організмів попередніх епох. Енергетичні ресурси поділяють на відновні (деревина) і невідновні (газ, нафта).
Величезні запаси Карбону містять гірські осадові породи — сланці, карбонати кальцію і магнію. Надходження карбону в атмосферу з цих порід залежить від геохімічних процесів (вивітрювання, геоморфізму гірських порід) і вулканічної діяльності.
Кругообіг Нітрогену. Атмосфера містить 79 % азоту, проте рослини засвоюють його в доволі обмеженій кількості. Це пояснюють тим, що рослини (за винятком бобових, вільхи, обліпихи тощо) не здатні засвоювати атмосферний азот, а поглинають його тільки у формі сполук з Гідрогеном і Оксигеном.
Нітроген органічних сполук (переважно аміносполук) у процесі їх розкладання мікроорганізмами переходить в амоній і амоніак зі звільненням енергії.
Під час розкладання мертвих рослинних і тваринних решток у результаті діяльності деяких мікроорганізмів утворюються нітрати. У ґрунті під впливом інших мікроорганізмів вони відновлюються до нітритів, оксидів нітрогену й вільного азоту. Частина нітратів потрапляє у ґрунтові води. Частина атмосферного азоту перетворюється на нітрати під впливом грозових розрядів. Ці нітрати також надходять у ґрунт.
Таким чином, у біологічний кругообіг Нітрогену включаються амоніак, нітрати, нітрити, що утворюються природним чином, а також штучно одержані речовини, які вносять у ґрунт, наприклад у вигляді добрив.
Фіксацію азоту і його переведення в сполуки, які здатні поглинати рослини, здійснюють ґрунтові азотофіксуючі бактерії. Прикладом можуть бути бульбочкові бактерії, що розвиваються на коренях бобових рослин. Азотофіксуючі бактерії збагачують ґрунт Нітрогеном, підвищуючи його родючість.
Під час розкладання органічних решток у процесі мінералізації під впливом мікроорганізмів виділяється амоніак. Його частково можуть засвоювати рослини, але основна кількість переводиться у форму нітратів за участі нітрифікуючих бактерій: спочатку він окиснюється до азотної кислоти.
Кругообіг Фосфору. Фосфор необхідний живим організмам, оскільки він входить до складу багатьох органічних сполук — нуклеїнових кислот, АТФ тощо.
Сполуки Фосфору розчиняються лише в дуже кислих розчинах і безкисневих середовищах. У лужних розчинах в кисневому середовищі вони містяться переважно у вигляді нерозчинних сполук з Ферумом і Кальцієм, тому фосфору завжди не вистачає.
Джерело Фосфору в природі виключно гірські породи. Кругообіг Фосфору відбувається переважно у ґрунтовому шарі завдяки життєдіяльності наземних організмів. Частина Фосфору змивається у водоймища поверхневими та ґрунтовими водами, до деякої міри його сполуки входять до складу донних відкладень. З них Фосфор із часом знову входить до складу гірських порід.
Основним джерелом енергії в біосфері є сонячна енергія, яку здатні акумулювати тільки зелені рослини та деякі бактерії. У подальшому вона використовується для синтезу органічних сполук. Звільняється енергія в результаті процесів бродіння, гниття, дихання. Частково сонячна енергія консервується у вугіллі, торфі, нафті.
Міграція хімічних елементів на поверхні землі так чи інакше здійснюється за участі живої речовини. Атоми біогенних елементів багато разів проходять через тіла живих організмів. Рушійною силою біогенної міграції атомів є енергія сонячного випромінювання. Жива речовина біосфери визначає склад атмосфери, біогенних осадових порід, ґрунту, гідросфери.
Між органічною і неорганічною речовинами на Землі існує нерозривний геохімічний зв’язок. Кругообіг речовин і потік енергії через екосистеми забезпечує існування життя, тому що навіть на Землі запаси необхідних біогенних елементів були б дуже швидко вичерпані.
Одночасно з колообігом речовини відбувається й колообіг енергії. Єдиним джерелом енергії на Землі є Сонце. Головна частина тепла витрачається на нагрівання земної поверхні й випаровування води. І лише 0,2 % сонячної енергії накопичується в процесі фотосинтезу. Ця енергія перетворюється в енергію хімічних зв’язків органічних речовин, під час розщеплення яких у процесі живлення вона знову виділяється і тратиться на процеси життєдіяльності організмів: ріст, рух, розмноження, розвиток. Цей процес незамкнутий, тому існує необхідність у постійному надходженні сонячної енергії.
