7. Кругообіг речовини та енергії в біосфері

Потоки енергії на земній кулі має три джерела:

а) сонячна енергія;

б) енергія земних надр;

в) кінетична енергія обертання Землі та її супутника Місяця як космічних тіл.

Найголовнішою частиною в системі керування біосферою є енергія Сонця. Всю біосферу можна розцінювати як єдине природне утворення, що поглинає енергію з космічного простору та направляє її на внутрішню роботу. У біосфері енергія тільки переходить з однієї форми до іншої та розсіюється у вигляді тепла. Особливістю поведінки енергії в біосфері є її одностороння спрямованість — концентрована енергія, пройшовши ряд перетворень, розсіюється у вигляді тепла. Основними перетворювачами енергії в біосфері є живі організми. Продуценти перетворюють вільну променеву енергію Сонця (концентрована енергія) в хімічно зв'язану, яка потім переходить (по харчових ланцюгах) від одних біосферних структур до інших.

При кожному переході частина енергії перетворюється в тепло та розсіюється в навколишньому просторі.

Доля річного притоку сонячної енергії така:

1) відбивається — 30%;

2) прямо перетворюється в тепло — 40%,

3) випаровування, опади — 23%;

4) вітер, хвилі — 0,2%;

5) фотосинтез — 0,08%.

Таким чином, тільки невеличка частина сонячної енергії витрачається на фотосинтез, але саме вона є джерелом усього життя на Землі. Проте, ті приблизно 70% енергії Сонця, що перетворюються на тепло, ідуть на випаровування, вітер, не витрачаються даремно, тому що ця енергія підтримує потрібну для життя температуру, пускає в хід системи погоди, забезпечує кругообіг води, без чого неможливе життя на Землі. Нормальне функціонування біосфери можливе лише за умов, коли нічим не стримується надходження та передача концентрованої енергії.

З потоками енергії тісно пов'язані потоки речовини. За рахунок процесів міграції хімічних елементів усі геосфери Землі пов'язані єдиним циклом кругообігу цих елементів. Кругообіг, рушійною силою якого є тектонічні процеси і сонячна енергія, одержав назву великого (геологічного) кругообігу.

Схематично це можна уявити так. Вивержені глибинні породи мантійного походження (базальти) тектонічними процесами виводяться з надр Землі в біосферу. Під дією сонячної енергії і живої речовини вони вивітрюються, переносяться, перетворюються у різноманітні осадові породи. Потім за рахунок тектонічних рухів знову потрапляють у зону великих тисків і температур Землі, де з них звільняється сонячна енергія, здійснюється метаморфізм і створення гранітних порід. Гранітні породи знову за рахунок тектонічних рухів потрапляють у біосферу. Таким чином, великий кругообіг речовини можна розглядати як еволюцію земної кори від океанічного (базальтового) типу до материкового (гранітного). Потужність великого кругообігу приблизно 2х10¹⁶ т/рік.

Виникнення життя на Землі сприяло появі нової форми міграції хімічних елементів — біогенної. На великий (геологічний) наклався малий (біогенний) кругообіг речовини. У малому кругообігу переміщуються в основному карбон і фосфор. Обидва кругообіги протікають зараз одночасно і тісно пов'язані між собою.

Живі організми в біосфері ініціюють кругообіг речовин і призводять до виникнення біогеохімічних циклів. Біогеохімічні цикли — це циклічне переміщення біогенних елементів: карбону, оксигену, гідрогену, нітрогену, сульфуру, фосфору, кальцію, калію та ін. від даного компонента біосфери до інших так, що на визначених ділянках цього кругообігу вони входять до складу живої речовини.

Переміщення речовини в біохімічних циклах одночасно забезпечує життєдіяльність живих організмів.

Головними оціночними параметрами ефективності і напрямку роботи біогеохімічного циклу є кількість біомаси, її елементарний склад і активне функціонування живих організмів.

Хімічні елементи, що беруть участь в утворенні живої речовини і необхідні для її синтезу, одержали назву біогенних.

Склад абіотичної частини нашої планети приблизно такий: Fe — 36%, О — 25%, Si — 23%, Mg — 10%, S — 3%, Ni — 2%, інші — 15%. Склад біомаси зовсім інший: О — 70%, С — 15%, Н — 11%, інші — 4%.

Принцип циклічності в перетвореннях і переміщеннях речовини в біосфері є основоположним. Зберігання циклічності — умова існування біосфери.

Центральне місце в біосфері посідають біохімічні цикли: карбону, води, нітрогену та фосфору.

Біохімічний цикл карбону базується на атмосферному депо, яке утримує його в кількості, приблизно рівній 700 млрд. тон у формі вуглекислого газу. Цей цикл ініціюється фотосинтезом та диханням, обидва процеси йдуть так інтенсивно, що у рослин та тварин на долю карбону припадає до 40–50% загальної маси. Залишки відмерлих рослин та тварин сприяють утворенню гумусу. Аналогічно утворюється і торф. У цих двох формах міститься до 99% карбону нашої планети. Швидкість кругообігу карбону обчислюється в середньому від 300 до 1000 років.

Біохімічний цикл води. Переважна частина води засолена. Прісної води на планеті всього 2% від загальної її кількості. Тіла всіх живих організмів досить сильно обводнені: у тварин на долю води припадає 70%, а у рослин — 90-95% від їхньої маси. Загальний кругообіг води ініціюється потоком сонячної радіації. Випаровування переводить воду з рідкого стану в газоподібний, і вона надходить в атмосферу. Атмосферні опади забезпечують обводнення континентів (хоча частина опадів випадає безпосередньо над водоймами). Кількісні показники кругообігу води визначаються кліматом та й самі визначають клімат. Головним параметром оцінки інтенсивності кругообігу води служить евапотранспірація з її розділенням на випаровування та власне транспірацію. Безпосередньо на формування біомаси витрачається всього близько 1% води від загальної її кількості, що є на планеті. На утворення 1 кг біомаси використовується 130-230 кг води, і тому кругообіг є досить активним. Вода морів та океанів, а також підземні води служать як депо води.

Моря втрачають від випаровування більше (1200 мм/рік), ніж отримують від опадів (1100 мм/рік). Ця різниця забезпечує обводнення континентів. На суходолі середня річна кількість опадів дорівнює 710 мм, а випаровування — 470 мм. Зворотнє надходження води до океанів та морів йде через поверхневий та підземний стоки.

Біогеохімічний цикл нітрогену. Це один із найбільш швидких кругообігів речовин. Реалізується він, в основному, за рахунок діяльності різних груп живих організмів і, в першу чергу, при активній участі мікробів. Основним депо нітрогену є газоподібний азот атмосфери. Його зв'язування здійснюється вільно існуючими азотфіксаторами (Azotobacter, Clostridium, Nostoc, Rhizobium). Органічні речовини, які містять зв'язаний нітроген, мінералізуються за рахунок амоніфікації та нітрифікації, що робить доступним для вищих рослин нітратний та амонійний нітроген. Загальні оцінки фіксації атмосферного азоту суперечливі і в середньому для планети складають від 100-170 мг/м² на рік до 1-20г/м² на рік. Це відповідає приблизно 126 млн. тонн азоту в рік.

Біогеохімічний цикл фосфору. Цей цикл має найбільш простий характер. Основний запас фосфору зосереджений на планеті у вигляді гірських порід та мінералів. При їх вивітрюванні створюються фосфати, які використовуються рослинами для побудови органічних речовин свого тіла. Після відмирання рослин фосфор мінералізують мікроорганізми-редуценти. Втрати фосфору з біохімічного циклу пов'язані в основному з винесенням фосфору в моря та океани. Звідти назад на суходіл він може потрапити тільки через рибу або гуано.

Біосфера володіє потужною буферною дією щодо багатьох зовнішніх впливів. Це забезпечує загальну стійкість та створює сприятливі стабільні умови існування організмів. У межах біосфери пом'якшується дія вітру, посушливість повітря та ґрунту, підтримується певне співвідношення між концентрацією кисню та вуглекислого газу в атмосфері, звужується амплітуда коливань температури.

Для стійкості біогеохімічних циклів велике значення мають депо біогенних хімічних речовин в ґрунті. Ґрунт — це зовсім особливе за своїми властивостями природне тіло. У біосфері ґрунт виконує безліч специфічних функцій. Він забезпечує рослини всіма необхідними поживними речовинами, утримує в собі велику кількість вологи, перешкоджає її швидкому стіканню до рік. У сільському господарстві ґрунт є компонентом виробництва.

Важливими учасниками біогеохімічних циклів є ґрунтові мікроорганізми. Ґрунт одночасно служить депо для багатьох речовин, за рахунок якого гасяться флуктуації, що виникають при переході речовини з однієї ланки біогеохімічного циклу до другої. Особливо важливий щодо цього гумус ґрунту. У ньому продукти розкладу органічних речовин утримуються тривалий час. Антропогенне природокористування вносить у біогеохімічні цикли чимало перешкод. Так, поширеність спалювання палива призводить до надходження до атмосфери близько 20 млрд. тон вуглекислого газу та 700 млн. тон інших газів і твердих часток. Вирубка лісів призводить до винесення з екосистеми лісу тисячі тон азоту, кремнію, фосфору.

Ці процеси ведуть до появи нового техногенного типу кругообігу хімічних елементів. Перенесені в урбанізовані райони або в агроекосистеми, ці речовини виявляються або зовсім, або тимчасово виключеними з природного їх кругообігу. Нормальне функціонування біосфери можливе, якщо антропогенна діяльність не перешкоджає здійсненню природних біогеохімічних циклів, руйнація яких може призвести до деградації біосфери.