3.3. Колообіг речовин в біосфері.

Область існування живих організмів на Землі називають біосферою (сферою життя).

Процеси фотосинтезу органічної речовини з неорганічних компонентів триває мільйони років і за такий час хімічні елементи повинні були перейти з однієї форми в іншу. Однак цього не відбувається завдяки їх кругообігу в біосфері. Щорічно фотосинтезуючі організми засвоюють майже 350 млрд. т. вуглекислого газу, виділяють до атмосфери біля 250 млрд. т. кисню і розщеплюють 140 млрд. т води, утворюючи понад 230 млрд. т органічної речовини (в перерахунку на суху вагу).

Величезні кількості води проходять через рослини та водорості в процесі забезпечення транспортної функції та випаровування. Це призводить до того, що вода поверхневого шару океану фільтрується планктоном за 40 днів, а вся інша вода океану – приблизно за рік. Весь вуглекислий газ атмосфери поновлюється за декілька сотень років, а кисень за декілька тисяч років. Щорічно фотосинтезом до кругообігу включається 6 млрд. т азоту, 210 млрд. т фосфору та велика кількість інших елементів (калій, натрій, кальцій, магній, сірка, залізо та ін.). Існування цих кругообігів придає екосистемі певну тривалість.

Розрізняють два основних кругообігу: великий (геологічний) і малий (біотичний).

Великій кругообіг, триває мільйони років і полягає в тому, що гірські породи підлягають руйнуванню, а продукти вивітрювання (в тому числі розчинні у воді поживні речовини) зносяться потоками води у Світовий океан, де вони утворюють морські напластування і лише частково повертаються на сушу із опадами. Геотектонічні зміни, процеси опускання материків і підняття морського дна, переміщення морів та океанів на протязі тривалого часу призводять до того, що ці напластування повертаються на сушу і процес починається знов.

Малий кругообіг (частина великого) відбувається на рівні екосистеми і полягає в тому, що поживні речовини, вода і вуглець акумулюються в речовині рослин, витрачаються на побудову тіла і на життєві процеси як самих цих рослин, так і інших організмів (як правило тварин), що з’їдають ці рослини. Продукти розпаду органічної речовини під дією деструкторів та мікроорганізмів (бактерії, гриби, черві) знов розкладаються до мінеральних компонентів, доступних рослинам і що втягуються ними у потоки речовини. Кругообіг хімічних речовин з неорганічного середовища через рослинні та тваринні організми назад у неорганічне середовище з використанням сонячної енергії та енергії хімічних реакцій називається біогеохімічним циклом. У такі цикли втягнуті практично всі хімічні елементи і насамперед ті, що беруть участь в побудові живої клітини. Так, тіло людини складається з кисню (62.8%), вуглецю (19.37%), водню (9.31%), азоту (5.14%), кальцію (1.38%), фосфору (0.64%) та ще приблизно з 30 елементів.

Кругообіг речовин – необхідна умова існування життя.

Кругообіг вуглецю. Джерела вуглецю в природі настільки численні, наскільки і різноманітні. Тим часом тільки вуглекислота, що перебуває або в газоподібному стані в атмосфері, або в розчиненому стані у воді є тим джерелом вуглецю, який слугує основою для переробки його в органічну речовину живих істот. Захоплена рослинами, ця вуглекислота у процесі фотосинтезу перетворюється на цукор, а в результаті інших процесів біосинтезу перетвориться на протеїди, ліпіди та ін. Ці різні речовини є вуглеводним живленням для тварин. З іншого боку, всі організми дихають і викидають в атмосферу вуглець у формі вуглекислоти. Коли  настае смерть, то сапрофіти і біоредуценти розкладають і мінералізують трупи, утворюючи ланцюги живлення, в кінці яких вуглець  нерідко знов надходить у кругообіг у формі вуглекислоти ( « ґрунтове  дихання» ). Вуглець, шо нагромадився і ґрунті або в гірських породах , може бути звільнений і в процесах людської діяльності: горіння ( опалювання, промисловість ), випалення вапна.

Кругообіг азоту. Незважаючи на складність, цей кругообіг здійснюється безперешкодно і швидко. Повітря, що містить 80 % азоту, одночасно  є і величезним вмістищем, і запобіжним клапаном системи, воно безперервно і в різних формах живить кругообіг азоту.

Крім того, електричні розряди, що супроводжують грози, синтезують з атмосферного азоту і кисню окиси азоту: ці окиси потрапляють у грунт разом з дощовими водами. Проте найбільші кількості цього елемента надходить в екосистему внаслідок діяльності мікроорганізмів – фіксаторів азоту. Частіше за все цю функцію здійснюють бактерії, здатні використовувати енергію свого дихання для прямого засвоєння атмосферного азоту і синтезу протеїдів.

З іншого боку, бактерії-денітрифатори постійно віддають азот в атмосферу: вони розкладають нітрати в N2, який випаровується. Проте діяльність цих бактерій не завжди така небезпечна; вони активні лише в ґрунті, які дуже багаті азотом і вуглецем ( особливо в удобрених гноєм ), і розкладають максимум лише 20% загального азоту ( щорічно випаровується до 50-60кг азоту з 1га ).

Кругообіг води. Вода – це не тільки джерело кисню і водню, а й найзначніша складова тіла живих істот: у тілі людини вона становить 60 % за вагою,а в рослинному організмі досягає 95%.

Великий кругообіг води на поверхні земної кулі добре відомий – випаровування з водних просторів, що викликаються сонячною енергією, створює атмосферну вологу; ця волога конденсується у формі хмар, що переносяться вітром, охолоджування хмар викликає опади у вигляді дощу і снігу: опади поглинаються ґрунтом  або стікають по його поверхні: вода повертається в моря й океани.

Рослинність виконує важливу екранізуючи функцію, перехоплюючи частину води, що випадає в опадах, до того, як вона досягне ґрунту, і випаровує її в атмосферу. Корені рослин здатні всмоктувати ґрунтову воду зі значно більшої глибини, між 20-30см; ця вода, доставлена листю, транспортується в атмосферу. Так ода береза випаровує за день 75л води, бук – 100, липа – 200, а 1га лісу – від 20-50 тис. л. Ожин гектар пшениці використовує за період  розвитку 3750 т води, що відповідає 375мм опадів.

Кругообіг фосфору. Фосфор здійснює кругообіг у наземних екосистемах як важлива і необхідна складова цитоплазми; біоредуценти, мінералізують органічні сполуки фосфору відмерлих організмів у фосфати, які знову споживають коренями рослин. Величезні запаси фосфору містять гірські породи; у процесі руйнування ці породи віддають наземні фосфати екосистемам, проте значні кількості фосфатів виявляється   залученими в кругообіг води, вилуговують і захоплюються в морі. Тут вони збагатіли солоні води, живлять фітопланктон і пов’язані з ним харчові ланцюги. Частина їх, що відкладається в межах досяжності морських екосистем, використовується ними, частина втрачається в глибинних відкладаннях.

Вважають, що року в кругообіг повертається 60 тис. т фосфору, що зовсім не компенсує затрат тих 2 млн. т фосфатів, які щорічно видобуваються з покладів і швидко вилуговуються при використанні як добрива.

Кругообіг сірки. Сірка, що знаходиться в ґрунті, є продуктом розкладання материнських гірських порід, містить пірити ( сірчаний колчедан ) і халькопірити ( мідний колчедан ), а також продукт розкладання органічних речовин рослинного походження. Тваринні органічні речовини містять дуже мало сірки. Крім сірки органічного походження, рослини можуть вводити в цикл значні кількості сірки, що переноситься повітряними масами і дощовою водою з промислових районів ( дими ). Це джерело забезпечує від 2,7 до 260 кг сірки на 1 га на рік.