Кругообіги хімічних елементів в біосфері

Енергія Сонця засвоюється продуцентами і залучається в геохімічні цикли через процес фотосинтезу, який здійснюється зеленими рослинами. Процеси фотосинтезу тривають вже понад 1,5 млрд. років і, здавалось, хімічні елементи, які беруть участь у цих процесах, повинні були б уже давно вичерпатись. Однак, цього не проходить. Російський вчений В.Р. Вільямс зазначив: “...існує єдиний шлях до того, щоб надати чомусь кінцевому властивості нескінченого - примусити кінцеве обертатись по замкнутому колу, тобто залучити його в кругообіг”. Насправді, усі потрібні для підтримання життя речовини не вичерпуються завдяки здійснення постійного кругообігу.

Основною причиною кругообігу є обмеженість хімічних елементів, з яких будуються тіла організмів. В природі існує два кругообіги речовин: великий - геологічний та малий - біологічний, хоча як нами раніше відмічалось, правильно говорити про кругообіги хімічних елементів, а не речовин.

Великий кругообіг триває протягом сотень тисяч років (геологічних епох). Він полягає в тому, що гірські породи руйнуються і вивітрюються в процесах ерозії, а утворені при цьому продукти потоками вітру і води, через залучення їх в малі кругообіги, зносяться у Світовий океан. Внаслідок цього утворюються морські нашарування і, з часом, в процесі геотектонічних змін ці нашарування повертаються на сушу, і процес починається знову.

Малий кругообіг, який є частиною великого, відбувається на рівні екосистем. Він є набагато більш експресним, ніж великий. Кругообіг хімічних речовин із неорганічного середовища через рослинний і тваринний світи знову в неорганічне середовище (в процесі редукції) з використанням енергії хімічних реакцій називають біохімічним циклом.

Жива речовина значно прискорила й змінила кругообіги різних речовин, зокрема води, Оксигену, Нітрогену, Сульфуру, Карбону. Утворення живої речовини та її розклад - це дві сторони єдиного процесу, який називають біохімічним (малим) кругообігом хімічних елементів. Справедливим є твердження, що життя - це кругообіг хімічних елементів між організмом і довкіллям.

Кругообіг Карбону. У біосфері міститься Карбону понад 12000 млрд. тонн. Це зумовлено тим, що сполуки Карбону безперервно утворюються, змінюються і розкладаються в біосфері. Кругообіг Карбону відбувається фактично між живою речовиною і діоксидом Карбону, який міститься в атмосфері. В процесі фотосинтезу, щорічно вищі рослини і водорості поглинають значні кількості діоксиду Карбону (близько 200 млрд. тонн, в перерахунку на Карбон) з утворенням органічних речовин. Відмерлі рослини і тварини (органічні речовини) розкладаються редуцентами до С0₂, який повертається, переважно, в атмосферу. Повний цикл обміну атмосферного Карбону проходить протягом 300 років, але частина Карбону вилучається з кругообігу у вигляді горючих корисних копалин та осадових порід (торф, нафта, вугілля, вапняк тощо). Процес кругообігу Карбону достатньо складний, в ньому приймають участь різноманітні процеси.

Антропогенний вплив на кругообіг Карбону, перед усім, зумовлений використанням органічних палив (нафта, газ, вугілля, торф). При цьому, в атмосферу викидаються значні кількості діоксиду Карбону, причому ці кількості вже перевищують компенсаційні (буферні) властивості атмосфери (біосфери). Внаслідок цього проходить поступове підвищення вмісту діоксиду Карбону в атмосфері, що може бути причиною глобальної зміни клімату Землі.

Кругообіг Нітрогену. Нітроген відіграє важливу роль для живих організмів, адже він входить до складу найважливіших органічних речовин, зокрема амінокислот, тощо. Потужним джерелом Нітрогену є атмосфера, де він знаходиться в молекулярному вигляді. Але азот практично не засвоюється живими організмами. Виключення складають окремі види рослин (зокрема бобові) та бактерій (бульбашкові бактерії), які безпосередньо засвоюють молекулярний азот атмосфери і після хімічних його перетворень залучають в кругообіг. Повний цикл кругообігу Нітрогену є тривалим (300-400 років). Крім того, залучення Нітрогену в кругообіг можливе при сполученні молекулярного азоту і кисню повітря за екстремальних умов (блискавки, тощо). Тобто, внаслідок окиснювальних реакцій утворюється нітратна кислота, що вимивається із атмосфери опадами. Нітрати безпосередньо засвоюються рослинами і залучаються в кругообіг.

Антропогенний вплив на кругообіг Нітрогену полягає в широкому використанні азотних добрив та у викидах оксидів Нітрогену промисловістю, які утворюються при згоранні палив шляхом сполучення азоту і кисню повітря. Це сприяє прискоренню біогенного циклу Нітрогену. Крім того, нітрати здатні накопичуватись в рослинах, що може бути причиною негативного впливу на теплокровних тварин (і на людей), що споживають таку рослинну сировину.

Кругообіг Оксигену. Щорічно рослинність біосфери виробляє до 55 млрд. тонн кисню. Він використовується живими організмами в процесах дихання, бере участь в окислювальних реакціях, які проходять в атмосфері, гідросфері та літосфері. Циркулюючи через біосферу, Оксиген то входить до складу органічної речовини, то до складу води, то утворює кисень (О2). Тобто, кругообіг води, циркуляція Оксигену в живій речовині та атмосфері є частинами кругообігу Оксигену. Весь Оксиген атмосфери кожні 2000 років проходить через живу речовину біосфери, а вода, що залучена в біологічний кругообіг, циркулює 300-400 років. Для того, щоб вся вода гідросфери пройшла через живі організми необхідно близько 2 млн. років.

Господарська діяльність людини прискорює кругообіг води, збільшуючи площу випаровування. Крім того, при спалюванні палив людина призводить до незворотних втрат кисню атмосфери (за час існування людства втрачено ~ 273 млрд. тонн О₂). Діяльність людини викликає прискорення кругообігів всіх хімічних елементів біосфери. Це зумовлено тим, що в біосферу людиною викидаються рухомі форми сполук цих хімічних елементів (СО2, SО2, N_хОу, фосфати, сульфати, нітрати, тощо).

Тому, спостереження за станом біосфери, за кругообігом важливіших хімічних елементів є надзвичайно важливим завданням, але спостереження і контроль цих процесів проводити недостатньо. Для виявлення небажаних тенденцій в біосфері, з метою їх запобігання, важливе значення має моделювання стану і розвитку біосфери в цілому. Можливість такого моделювання дозволило б прогнозувати наслідки порушення цілісності біосфери та процесів саморегуляції, які викликані діяльністю людини. Проблема сучасної екологічної кризи теоретично може бути вирішена двома основними шляхами. Перший - це досягнення гармонії між: сферою людства (соціумом) і природою (біосферою). Другий - це створення штучної саморегульованої надсистеми, яка володіє необхідними людям якостями (взамін живої природи). Будь-яка людина здорового глузду розуміє, що реально здійснити в близькому майбутньому тільки перший шлях. В цьому нам допоможе знання про біосферу Землі.

Література: 1, 2, 3, 4, 6, 8, 9, 10, 15.

Питання до самоконтролю

1. Яке угрупування можна назвати біоценозом? Дайте характеристику видам біоценозів.

2. Охарактеризуйте біогеоценоз та екосистему як структурні елементи довкілля.

3. Проведіть класифікацію екосистем та покажіть взаємозв'язки між її компонентами.

4. Проведіть порівняння понять «екосистема» та «біогеоценоз».

5. Дайте визначення трофічного ланцюга та назвіть їх основні види.

6. Охарактеризуйте первинну продукцію екосистем, значення і особливості фотосинтезу, фоторедукції та хемосинтезу.

7. Які фактори впливають на стійкість екосистем?

8. Охарактеризуйте ефективність використання енергії в екосистемах та значення екологічних пірамід.

9. Охарактеризуйте поняття біосфери і покажіть роль В.І. Вернадського у формуванні сучасного наукового уявлення про біосферу Землі.

10. Охарактеризуйте структуру біосфери та особливості її складових. Покажіть межі поширення біосфери Землі.

11. Дайте характеристику живої речовини і покажіть її геохімічну роботу.

12. Дайте характеристику кругообігів основних хімічних елементів біосфери. Покажіть вплив на ці процеси господарської діяльності людини.