4.7. Природний колообіг речовин
У біосфері постійно здійснюється безперервний колообіг речовин, що сприяє перебігу всіх процесів життєдіяльності організмів. Нескінченна взаємодія абіотичних факторів середовища та живих організмів екосистем супроводжується безперервним обміном речовиною між біотопом і біоценозом у вигляді органічних та мінеральних сполук, які по черзі змінюють одні одних.
Колообіг речовин – це повторюваний процес взаємопов'язаного перетворення, переміщення речовин у природі, який має циклічний характер і відбувається за обов'язкової участі живих організмів.
Розрізняють малий біологічний та великий геологічний колообіги речовин;
Малий, або біологічний колообіг речовин відбувається в межах певного біогеоценозу. Відповідно до закону біогенної міграції атомів (В.І. Вернадський): міграція хімічних елементів на земній поверхні та в біосфері в цілому здійснюється під переважаючим впливом живої речовини, організмів.
Співіснування в кожній з таких екосистем живих організмів (продуцентів, консументів і редуцентів), пов’язаних обміном речовин, зумовлюють безперервно повторюваний колообіг основних елементів, необхідних для живої клітини (див. схему).
У кожній системі відбувається колообіг речовин, як результат взаємодії автотрофів і гетеротрофів у ланцюгу живлення. Різні види організмів споживають речовини, які необхідні їм для задоволення життєвих потреб: для підтримання процесів життєдіяльності, росту та відтворення. При цьому вони безперервно виділяють у навколишнє середовище більш або менш складні органічні та мінеральні продукти метаболізму.
Частина біологічного колообігу, що складається з колообігів карбону, води, нітрогену, фосфору, сульфуру і інших біогенних речовин, називають біогеохімічним колообігом. Біогеохімічний колообіг – обмін хімічних елементів в вигляді органічних речовин і неорганічних сполук між живими організмами і абіотичним середовищем.
Карбон, оксисен , гідроген, нітроген , фосфор, сульфур та інші елементи, які необхідні для побудови простої клітини, безперервно перетворюються в органічні речовини або споживаються в вигляді неорганічних йонів автотрофними рослинами, а потім редуцентами. Останні розкладають органічні залишки на розчинні мінеральні елементи або газоподібні речовини (NH3, H2S, CH4 і ін.). Утворені неорганічні сполуки повертаються в грунт, воду та атмосферу. Таким чином, здійснюється безперервна циркуляція біогенних елементів. Вони розчиняються в континентальних поверхневих водах, виносяться в моря та попадають в атмосферу.
Колообіги речовин від продуцентів до консументам різних рівнів, потім до редуцентів, а від них знов до продуцентів замкнуті не повністю. Якби в екосистемах існувала їх повна замкнутість, то не виникало б жодних змін середовища існування, не було б грунту, вапняків і інших гірських порід біогенного походження.
Між грунтом, водою та атмосферним повітрям відбувається постійний газообмін. Таким чином здійснюється великий (геологічний) колообіг між океанами і континентами в межах всієї планети.
Деяка кількість речовини може на якийсь час вибувати з біологічного колообігу (осідати на дні океанів, морів, випадати в глибини земної кори і т.п.) і потрапляти до так званого резервного фонду. Проте в результаті протікання тектонічних і геологічних процесів (вулканічної діяльності, підйому і опускання земної кори, зміни кордонів між сушею і водою і ін.) осадові породи знову включаються в геологічний цикл.
Резервний фонд – це велика маса в основному не пов’язаної з організмами речовини, яка повільно рухається. На відміну від резервного, обмінний фонд являє собою швидкий обмін речовиною між організмами та їх безпосереднім оточенням.
Розрізняють три основних типи біогеохімічних колообігів:
колообіг газоподібних речовин з резервним фондом в атмосфері або гідросфері,
осадовий цикл з резервним фондом в земній корі,
колообіг води.
Резервний фонд в атмосфері й гідросфері більш доступний. Тому біогеохімічні колообіги, які пов’язані з цим фондом, стійкіші. Осадові цикли, в яких бере участь фосфор і залізо, менш стабільні. На них більше впливають різні місцеві зміни. Це пояснюється тим, що основна маса речовини знаходиться в малоактивному і малорухомому резервному фонді земної кори. Тому якщо надходження речовин з обмінного фонду в резервний здійснюється швидше, ніж їх вихід, то частина речовини вилучається з колообігу. Завдяки наявності в атмосфері та гідросфері резервного фонду карбону, нітрогену, оксигену, сульфуру колообіги можуть швидко саморегулюватися. Існування біогеохімічних циклів сприяє саморегуляції всієї екосистеми та надає їй більшої стійкості.