• Гідрологія і Гідрометрія
• Господарське право
• Економіка будівництва
• Економіка природокористування
• Економічна теорія
• Земельне право
• Історія України
• Кримінально виконавче право
• Медична радіологія
• Методи аналізу
• Міжнародне приватне право
• Міжнародний маркетинг
• Основи екології
• Предмет Політологія
• Соціальне страхування
• Технічні засоби організації дорожнього руху
• Товарознавство продовольчих товарів

Біологічний та геологічний кругообіг речовин у біосфері

Біогеохімічний цикл − кругообіг хімічних речовин, який бере початок з неорганічної природи через рослинний і тваринний організми і переходить знову в неорганічну природу. Здійснюється з використанням сонячної енергії та енергії хімічних реакцій.

За рахунок процесів міграції хімічних елементів усі геосфери Землі зв’язані єдиним циклом кругообігу цих елементів. Такий кругообіг, рушійною силою якого є тектонічні процеси та сонячна енергія, отримав назву великого (геологічного) кругообігу. Цей кругообіг має абіотичний характер. Тривалість його існування − близько 4 млрд. років. Потужність великого (геологічного) кругообігу речовин в атмосфері, гідросфері та літосфері оцінюється в 2∙10¹⁶ тонн/рік.

Виникнення життя на Землі спричинило появу нової форми міграції хімічних елементів − біогенної. За рахунок біологічної міграції на великий кругообіг наклався малий (біогенний) кругообіг речовин. У малому біологічному кругообігу переміщуються в основному вуглець (10¹¹ тонн у рік), кисень (2∙10¹¹ тонн у рік), азот (2∙10¹¹ тонн у рік) та фосфор (10⁸ тонн у рік).

Натепер обидва кругообіги протікають одночасно та тісно пов’язані між собою.

Живі організми в біосфері ініціюють кругообіг речовин та призводять до виникнення біогеохімічних циклів. Пріоритетні дослідження біогеохімічних циклів були розпочаті В.І.Вернадським ще на початку 20-х років XX ст. Біогеохімічні цикли становлять собою циклічні переміщення біогенних елементів: вуглецю, кисню, водню, азоту, сірки, фосфору, кальцію, калію та ін. від одного компоненту біосфери до інших. На певних етапах цього кругообігу вони входять до складу живої речовини.

Просторове переміщення речовин у межах геосфер або, інакше кажучи, їхня міграція підрозділяється на п’ять основних типів:

1. Механічне перенесення (йде без зміни хімічного складу речовин).

2. Водне (міграція здійснюється за рахунок розчинення речовин та їх наступного переміщення у формі іонів або колоїдів). Це один із найбільш важливих видів переміщення речовин у біосфері.

3. Повітряне (перенесення речовин у формі газів, пилу або аерозолів із потоками повітря).

4. Біогенне (перенесення здійснюється за активної участі живих організмів).

5. Техногенне, що проявляється як результат господарської діяльності людини.

Центральне місце в біосфері посідають біогеохімічні цикли: кисню, водню, вуглецю, азоту та фосфору, як основних органогенних елементів.

Кругообіги кисню й водню. Кисень і водень входять до складу всіх органічних сполук. Вони поглинаються продуцентами в складі води й вуглекислого газу в процесі фотосинтезу, всіма іншими організмами − з органічною речовиною, створеною продуцентами, під час дихання (з атмосфери чи з водного розчину) й уживання питної води. Як кінцеві продукти біологічного кругообігу, водень і частина кисню повертаються в неживе середовище також у вигляді води, а кисень, окрім того, виділяється в молекулярній формі в атмосферу рослинами-продуцентами як один із кінцевих продуктів фотосинтезу.

Кругообіг вуглецю. Вуглець − це основа органічних речовин. Він входить до складу білків, жирів, вуглеводів, нуклеїнових кислот та інших речовин, необхідних для існування живої речовини. До первинних джерел вуглецю в біосфері належать атмосферний вуглекислий газ, що становить 0,036% загального об’єму тропосфери, й вуглекислий газ, розчинений у воді Світового океану, де його кількість у 50 разів вища, ніж в атмосфері.

Неорганічний вуглець доступний лише для продуцентів − рослин і невеликої групи хемотрофних бактерій. Унаслідок процесів фото- й хемосинтезу вуглець зв’язується в молекули сахарів, які в подальшому використовуються для створення інших органічних сполук. У такому вигляді вуглець стає доступним для консументів і редуцентів. У результаті процесів дихання й бродіння органічні речовини в клітинах окислюються з виділенням енергії й вуглекислого газу, який знову або потрапляє в атмосферу, або розчиняється у воді, а також утворює іони карбонатів. Органічна речовина загиблих особин також розпадається з утворенням вуглекислого газу. Цей процес здійснюється редуцентами. Якщо з якихось причин відмерлі рештки не були використані редуцентами, вони нагромаджуються в літосфері і з часом трансформуються у вуглецевмісні копалини − торф, вугілля, нафту.

Кругообіг азоту. Атмосферний азот, що перебуває у молекулярній формі, доступний тільки для нечисленної групи азотфіксуючих бактерій і синьозелених водоростей. Азотфіксатори, засвоюючи молекулярний азот, залучають його до складу органічної речовини свого тіла, тобто переводять в органічну форму. Після відмирання органічний азот трансформується в мінеральну форму (амоній, нітрати або нітрити) амоніфікуючими й нітрифікуючими бактеріями. Мінеральний азот доступний лише для рослин, які засвоюють його й переводять в органічну форму (зокрема в білки й нуклеїнові кислоти), й у такому вигляді азот стає доступним для консументів − тварин і грибів. Після їх відмирання азот знову використовується бактеріями амоніфікаторами й нітрифікаторами. Мінеральний азот використовують також бактерії денітрифікатори, які, врешті-решт, переводять його в молекулярну форму й повертають в атмосферу. Цикл замикається.

Кругообіг фосфору. На відміну від азоту, джерелом фосфору є не атмосфера, а земна кора. В процесі вивітрювання гірських порід фосфор переходить у ґрунтовий розчин і стає доступним для рослин. Він входить передусім до складу нуклеїнових кислот, аденозинтрифосфорної кислоти (АТФ), фосфоліпідів. Із цими органічними речовинами фосфор передається ланцюгами живлення від продуцентів до консументів і повертається в ґрунт у вигляді органічних решток і продуктів життєдіяльності. В результаті процесів мінералізації, які здійснюються бактеріями-редуцентами, фосфор знову переходить у неорганічні форми й стає доступним для рослин.

Проте в природі найчастіше саме нестача фосфору стримує розвиток біоти. З одного боку, фосфорні сполуки швидко вимиваються в Світовий океан. Цьому сприяють процеси ерозії ґрунту. Багато фосфору виноситься в океан і з неочищеними стічними водами. В океані цей фосфор частково використовується мікро- й макроскопічними водоростями, а потім споживається морськими консументами та редуцентами. Деяка частина фосфору може перевідкладатися на суші. Наприклад, послід морських рибоїдних птахів, який містить багато фосфору, нагромаджується в пташиних колоніях і на пташиних базарах, утворюючи так зване гуано − корисну копалину, що інтенсивно добувається в деяких країнах і використовується для виробництва фосфатних мінеральних добрив (наприклад, у Чилі). Але більша частина фосфору нагромаджується на дні з відмерлими рештками морської біоти. Цей фосфор може знову стати доступним для біоти тільки з часом у геологічному вимірі, наприклад після підняття певних ділянок морського дна (щоправда, сьогодні людина вже почала розробляти й морські родовища фосфоритів). З іншого боку, на суші значна частина мінерального фосфору утворює нерозчинні комплекси з ґрунтовими частинками й стає недоступною для продуцентів, отже, й для інших ланок трофічних ланцюгів. Лише деякі ґрунтові гриби здатні вилучати фосфорні сполуки з цих комплексів.

Ці цикли в найбільшій мірі зазнали трансформації при формуванні техносфери та агросфери, і вивчення їх стало важливим завданням екології. Розглянемо головні причини порушення кругообігу речовин у біосфері.

По-перше, це досить сильне штучне прискорення процесів вивітрювання осадових і гранітних порід, пов’язане з видобуванням і переробкою корисних копалин, спалюванням вугілля, нафти, торфу, природного газу. В результаті в атмосфері збільшується вміст вуглекислого газу, оксидів сірки, через кислотні дощі зменшується рН ґрунту, що призводить до переходу багатьох елементів у розчинений стан. Деякі з них у великих концентраціях токсичні й небезпечні для живих організмів (наприклад, важкі метали − мідь, цинк, свинець). Процеси кругообігу речовин у біологічному циклі вповільнюються − адже гинуть носії живої речовини. Та чим більше елементів переходить у розчин, тим більше їх вимивається у Світовий океан. Прискорені темпи загибелі біоти, вповільнені темпи повторного використання доступних мінеральних речовин, зростання швидкості їх вимивання спричиняють перезбагачення Світового океану біогенними елементами. Внаслідок цього частішають спалахи “цвітіння” океану мікроскопічними водоростями, які нерідко бувають токсичними й пригнічують розвиток консументів, котрі їх споживають. Так, порівняно з минулими століттями частота спалахів “цвітіння” в Світовому океані зросла в 50…130 разів! Усе це прискорює процеси вилучення з біосфери доступних біогенних речовин і їх консервації в донних відкладеннях.

По-друге, людина в процесі своєї господарської діяльності створює численні речовини (наприклад, пластмаси), які надалі не можуть бути ні використані продуцентами, ні розкладені до доступних мінеральних речовин редуцентами. Вони утворюють особливу групу антропогенних “осадових” порід — відходи нашої цивілізації, які археологи чомусь назвали “культурним шаром”. Ці відходи зрештою будуть трансформовані в літосфері в граніти й потім у процесі вивітрювання знову стануть доступними для живої речовини, але відбудеться це в геологічних вимірах часу − через мільйони років. Тому є реальна загроза того, що доступні ресурси біосфери можуть бути перероблені на відходи швидше, ніж завершиться цикл геологічного кругообігу. Що в цьому разі станеться з біосферою (в тому числі й з людиною), передбачити нескладно.

2.3. Природні компоненти біосфери (біоценози, біогеоценози, агроценози)

Процеси поглинання сонячної енергії, її трансформації й накопичення в живій речовині, поглинання поживних речовин та їх перетворення, нагромадження осадових відкладень і вивітрювання гірських порід відбуваються в конкретних екосистемах, які є основними структурними одиницями, що складають біосферу.

Тому поняття про екосистеми надзвичайно важливе для аналізу усього різноманіття екологічних явищ. Основоположником учення про екосистеми є англійський еколог А.Тенслі (1946). Вагомий внесок до розробки цього поняття зробили Р.Маргалеф (1974) та Ю.Одум (1971).

Екосистема, екологічна система – сукупність організмів, які мешкають разом, та умов їх існування, закономірно пов’язаних між собою, що утворюють систему взаємозумовлених біотичних, абіотичних явищ і процесів; під час взаємодії останніх відбувається більш-менш повний абіотичний кругообіг за участю продуцентів, консументів і редуцентів.

Важливою властивістю екосистем є їх відкритий характер − вони обмінюються з навколишнім середовищем і енергією, і речовинами. При цьому екосистеми характеризуються саморегуляцією і здатні певною мірою протистояти зовнішнім впливам та відновлюватися, якщо порушення не зачепило суттєво важливих зв’язків або повністю не знищило їх компоненти.

Поняття екосистем поширюється і на штучно створювані людиною об’єкти. Екосистемами є сільськогосподарські угіддя, садки, очисні споруди тощо.

Для характеристики екосистем звичайно використовують досить великий набір ознак:

а) видовий склад живих організмів, типовий для даної екосистеми;

б) співвідношення в екосистемі організмів із різними типами живлення;

в) розмір створюваної в екосистемі первинної та вторинної біопродукції;

г) інтенсивність потоку енергії через екосистему та швидкість кругообігу речовин;

д) режим абіотичних умов та ресурсів.

Біотичну структуру екосистем складають продуценти, консументи і редуценти.

Продуценти (автотрофи) – організми, переважно зелені рослини, які з вуглекислого газу і води продукують органічну речовину, використовуючи для процесу фотосинтезу сонячну енергію і виділяючи кисень.

Консументи (гетеротрофи) – організми, що використовують готові органічні сполуки як джерело їжі та енергії. Відповідно до способу живлення консументи поділяються на:

первинних консументів – живляться рослинною їжею;

вторинних консументів – споживають тваринну їжу;

паразитів, які живуть за рахунок хазяїна.

Детритофаги і редуценти – організми, які також споживають готові органічні сполуки, але мертвих решток (опале листя, коріння, гілочки дерев − детрит), трупи та продукти життєдіяльності тварин (гриби, бактерії, найпростіші, черви, жуки-гнойовики, раки). Завдяки їх діяльності знов утворюються форми, доступні для живлення рослин. Це санітари, що очищають екосистему від сміття і замикають ланцюг коло обігу хімічних елементів.

Наведені вище матеріали показують, що між живими організмами екосистем виникають різноманітні зв’язки. Одним з центральних зв’язків є харчові або трофічні. Це призводить до виникнення харчових, або трофічних ланцюгів. Цей термін запропонований Ч.Елтоном. Ланцюги, які починаються з фотосинтезуючих організмів, називаються ланцюгами виїдання. Ланцюги, які беруть початок з відмерлих решток рослин, трупів і екскрементів тварин, називають ланцюгами розкладання, або детритними ланцюгами (рис. 2.2).

Відповідно до початкового визначення, екосистеми не мають просторової вираженості та пристосованості до конкретної ділянки чи акваторії. У той же час досвід вивчення природних явищ показує, що більшість із них досить чітко окреслені територіально. Це привело до необхідності введення в екологію ще одного важливого поняття − біогеоценозу. Біогеоценоз − історично сформований взаємозумовлений комплекс живих і неживих компонентів певної ділянки земної поверхні, пов’язаних між собою обміном речовин і енергії. Сукупність живих компонентів біогеоценозу становить біоценоз,неживих – біотоп.

Рис. 2.2. Один з варіантів трофічного ланцюгу

Термін “біоценоз” був запропонований у 1877 р. німецьким вченим К.Мьобіусом на підставі вивчення устричних мілин. Він включав до біоценозу всі рослини і тварини, які мешкають на мілинах, вважаючи, що організми, які входять до складу біоценозу, повинні розмножуватись в його межах. На сьогодні встановлено, що рослини справді розмножуються завжди в своєму біоценозі, але тварини для розмноження можуть перекочовувати в інші місця.

Серед структур біоценозу, звичайно виділяють три їх види:

а) видова, що розкриває видове різноманіття живих організмів;

б) трофічну, що демонструє характер харчових взаємин між організмами біоценозу;

в) просторову, що показує територіальне розміщення рослин, тварин та мікроорганізмів.

Функціональні складові біоценозу: сукупність усіх продуцентів даного біотопу (вищі рослини, водорості, автотрофні бактерії) − так званий фітоценоз;сукупність тварин-консументів – зооценоз;сукупність редуцентів (бактерій і грибів-сапротрофів) − мікробоценоз.

Межами фітоценозу, тобто контуром однорідної рослинності, визначаються межі біогеоценозу, оскільки саме рослини-продуценти є першою ланкою трофічних ланцюгів (ланцюгів живлення) біогеоценозу.

Цілісність біоценозів зумовлюється дією ряду механізмів, але головним серед них вважаються два.

Перший із них полягає в тому, що добір видів в біоценоз будь-якої екосистеми йде на основі спільності їхніх екологічних вимог щодо середовища.

Другий – полягає в наявності коадаптацій рослин та тварин щодо спільного життя. Співмешкання видів в одному ценозі є результатом того, що один вид потрібен іншому так, що без нього він не може існувати.

Агроценоз − біотичне угруповання, створене людиною з метою отримання сільськогосподарської продукції і регулярно підтримуване нею, має незначну екологічну надійність, але високу врожайність певних видів, сортів рослин.

У світі відомо 1,5 тис. рослин, але масово вирощується лише 90 видів і з них 14 належить до злакових і бобових. А чим багатша на види екосистема, тим вона стійкіша. Стійкість агроценозів забезпечується лише надходженням ззовні енергії у вигляді добрив, поливної води, засобів боротьби з бур’янами, шкідниками, захворюваннями. З урожаєм з агроекосистеми виноситься величезна кількість поживних речовин і навіть родючого ґрунту.

Агроценози зернових і овочевих культур стійкі лише впродовж одного року, багаторічних трав і ягідних – 3…4 років, плодових культур – 30…40 років. Поява агроценозів – величезних площ окремої культури спричинює надмірне зростання чисельності окремих видів шкідників, бур’янів чи захворювань. Постійна турбота, важка людська праця, витрати пального та різних засобів підвищення врожайності підтримують продуктивність агроценозів на вищому рівні, ніж природних екосистем.

Читайте також:

1. II. За зміною ступенів окиснення елементів, які входять до складу реагуючих речовин
2. IV. Запасні речовини
3. L2.T4. Транспортування рідких, твердих та газоподібних речовин.
4. L2.T4/1.Переміщення твердих речовин по території хімічного підприємства.
5. Аварії з викидом (загрозою викиду) сильнодіючих отруйних речовин на об'єктах економіки.
6. Аварії з викидом радіоактивних речовин у навколишнє середовище
7. Аварії з викидом радіоактивних речовин у навколишнє середовище
8. Аваріїз витоком сильнодіючих отруйних речовин.
9. Агрегатні стани речовини
10. АДАПТАЦІЯ ОБМІНУ РЕЧОВИН ДО М'ЯЗОВОЇ ДІЯЛЬНОСТІ
11. Азот, фосфор, біогенні елементи та їх сполуки, органічні речовини
12. Азотисті речовини

Переглядів: 4617