Кругообіг речовин

 

Процеси фотосинтезу органічної речовини з неорганічних компонентів тривають 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. Тонн вуглекислого газу, виділяють в атмосферу близько 250 млрд. Тонн кисню і розщеплюють 140 млрд. Тонн води, утворюючи понад 230 млрд. Тонн 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 діб, а вся інша вода океану - приблизно, ніж рік. Весь вуглекислий газ атмосфери поновлюється за декілька сотень років, а кисень за декілька тисяч років. Щорічно фотосинтезом в кругообіг включається 6 млрд. Тонн азоту, 210 млрд. Тонн фосфору та велика кількість інших елементів (калій, натрій, кальцій, магній, сірка, залізо та ін.). Існування цих кругообігів надає екосистемам певну тривалість.

Розрізняють два основних кругообігу: великий (геологічний) і маленький (біологічний).

Великий 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 з 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 знову.

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), які з'їдають ці рослини (консументи). Продукти розпаду органічної речовини під дією деструкторів та мікроорганізмів (бактерії, гриби, черви) знову 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 біохімічним 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%) і ще приблизно 30 елементів.

Основні типи біохімічних кругообігів

 

Кругообіг води

 

Вода знаходиться в постійному русі. Випаровуючись з поверхні водойм, ґрунту, рослин, вода накопичується в атмосфері і, рано чи пізно, випадає у вигляді опадів, поповнюючи запаси в океанах, річках, озерах і т.п. Таким чином, кількість води на Землі не змінюється, вона тільки змінює свої форми - це і є кругообіг води в природі. З усіх випадаючих опадів 80% потрапляє безпосередньо в океан. Для нас же найбільший інтерес представляють решту 20%, що випадають на суші, так як більшість використовуваних людиною джерел води поповнюється саме за рахунок цього виду опадів. Спрощено кажучи, у води, що випала на суші, є два шляхи. Або вона, збираючись у потічки, річечки і річки, потрапляє в результаті в озера і водосховища - так звані відкриті (або поверхневі) джерела водозабору. Або вода, просочуючись через грунт і підгрунтові шари, поповнює запаси грунтових вод. Поверхневі і грунтові води і складають два основних джерела водопостачання. Обидва цих водних ресурсу взаємопов'язані і мають як свої переваги, так і недоліки в якості джерела питної води.

Кругообіг води є одним з грандіозних процесів на поверхні земної кулі. Він грає головну роль у зв'язуванні геологічного і біотичного кругообігів. У біосфері вода, безперервно переходячи з одного стану в інший, робить малий і великий кругообіг. Випаровування води з поверхні океану, конденсація водяної пари в атмосфері і випадання опадів на поверхню океану утворюють малий кругообіг. Якщо ж водяний пар переноситься повітряними течіями на сушу, круговорот стає значно складніше.

У цьому випадку частина опадів випаровується і надходить назад в атмосферу, інша - живить річки та водойми, але в підсумку знову повертається в океан річковим і підземним стоком, завершуючи тим самим великий круговорот. Важлива властивість кругообігу води полягає в тому, що він, взаємодіючи з літосферою, атмосферою і живою речовиною, пов'язує воєдино всі частини гідросфери: океан, річки, грунтову вологу, підземні води і атмосферну вологу. Вода - найважливіший компонент всього живого. Грунтові води, проникаючи крізь тканини рослини в процесі транспірації, привносять мінеральні солі, необхідні для життєдіяльності самих рослин.

Найбільш сповільненій частиною кругообігу води є діяльність полярних льодовиків, що відображають повільний рух і швидке танення льодовикових мас.Найбільшою активністю обміну після атмосферної вологи відрізняються річкові води, які змінюються в середньому кожні 11 днів. Надзвичайно швидка возобновляемость основних джерел прісних вод і опріснення вод в процесі кругообігу є відображенням глобального процесу динаміки вод на земній кулі.

 

Кругообіг вуглецю

 

Вуглець в біосфері часто представлений найбільш рухомий формою - вуглекислим газом. Джерелом первинної вуглекислоти біосфери є вулканічна діяльність, пов'язана з віковою дегазацією мантії і нижніх горизонтів земної кори.

Міграція вуглекислого газу в біосфері Землі протікає двома шляхами. Перший шлях полягає в поглинанні його в процесі фотосинтезу з утворенням органічних речовин і в подальшому похованні їх в літосфері у вигляді торфу, вугілля, гірських сланців, розсіяною органіки, осадових гірських порід. Так, в далекі геологічні епохи сотні мільйонів років тому значна частина фотосінтезіруемого органічного речовини не використовувалася ні консументами, ні редуцентамі, а накопичувалася і поступово хоронили під різними мінеральними опадами. Перебуваючи в породах мільйони років, цей детрит під дією високих температур і тиску (процес метаморфизации) перетворювався на нафту, природний газ і вугілля, у що саме - залежало від вихідного матеріалу, тривалості та умов перебування в породах. Тепер ми у величезних кількостях добуваємо це викопне паливо для забезпечення потреб в енергії, а спалюючи його, в певному сенсі завершуємо кругообіг вуглецю. Якщо б не цей процес в історії планети, ймовірно, людство мало б зараз зовсім інші джерела енергії, а може бути і зовсім інший напрямок розвитку цивілізації.

По другому шляху міграція вуглецю здійснюється створенням карбонатної системи в різних водоймах, де CO2 переходить в H2CO3, HCO31-, CO32-. Потім за допомогою розчиненого у воді кальцію (рідше магнію) відбувається осадження карбонатів CaCO3 біогенним і абіогенним шляхами. Виникають потужні товщі вапняків.Поряд з цим великим круговоротом вуглецю існує ще ряд малих його кругообігів на поверхні суші і в океані

У межах суші, де є рослинність, вуглекислий газ атмосфери поглинається в процесі фотосинтезу в денний час. У нічний час частина його виділяється рослинами у зовнішнє середовище. Із загибеллю рослин і тварин на поверхні відбувається окислення органічних речовин з утворенням CO2. Особливе місце в сучасному круговороті речовин займає масове спалювання органічних речовин і поступове зростання вмісту вуглекислого газу в атмосфері, пов'язане із зростанням промислового виробництва і транспорту.

Кругообіг кисню

Кисень - найбільш активний газ. У межах біосфери відбувається швидкий обмін кисню середовища з живими організмами або їх залишками після загибелі.

У складі земної атмосфери кисень займає друге місце після азоту. Панівною формою знаходження кисню в атмосфері є молекула О2. Кругообіг кисню в біосфері дуже складний, оскільки він вступає в безліч хімічних сполук мінерального і органічного світів.

Вільний кисень сучасної земної атмосфери є побічним продуктом процесу фотосинтезу зелених рослин і його загальна кількість відображає баланс між продукуванням кисню і процесами окислення і гниття різних речовин. В історії біосфери Землі настав такий час, коли кількість вільного кисню досягло певного рівня і виявилося збалансованим таким чином, що кількість виділяється кисню стало рівним кількості поглинається кисню.

 

Кругообіг азоту

 

При гнитті органічних речовин значна частина міститься в них азоту перетворюється на аміак, який під впливом живуть у грунті нитрифицирующих бактерій окислюється в азотну кислоту. Остання, вступаючи в реакцію з перебувають у грунті карбонатами, наприклад з карбонатом кальцію СаСОз, утворює нітрати:

 

2HN0з + СаСОз = Са (NОз) 2 + СОС + Н0Н

 

Деяка ж частина азоту завжди виділяється при гнитті у вільному виді в атмосферу. Вільний азот виділяється також при горінні органічних речовин, при спалюванні дров, кам'яного вугілля, торфу. Крім того, існують бактерії, що при недостатньому доступі повітря можуть віднімати кисень від нітратів, руйнуючи їх із виділенням вільного азоту. Діяльність цих нитрифицирующих бактерій призводить до того, що частина азоту з доступної для зелених рослин форми (нітрати) переходить в недоступну (вільний азот). Таким чином, далеко не весь азот, що входив до складу загиблих рослин, повертається назад у грунт; частина його поступово виділяється у вільному вигляді.

Постійне зменшення мінеральних азотних сполук давно мусила б призвести до повного припинення життя на Землі, якби в природі не існували процеси, що відшкодовують втрати азоту. До таких процесів належать, насамперед відбуваються в атмосфері електричні розряди, при яких завжди утвориться деяка кількість оксидів азоту; останні з водою дають азотну кислоту, що перетворюється в грунті в нітрати. Іншим джерелом поповнення азотних сполук грунту є життєдіяльність так званих азотобактерій, здатних засвоювати атмосферний азот. Деякі з цих бактерій поселяються на коренях рослин із сімейства бобових, викликаючи утворення характерних здуття - «бульбочок», чому вони і отримали назву бульбочкових бактерій. Засвоюючи атмосферний азот, бульбочкові бактерії переробляють його в азотні сполуки, а рослини, у свою чергу, перетворюють останні у білки й інші складні речовини.

Таким чином, в природі відбувається безперервний кругообіг азоту. Проте щорічно з врожаєм з полів збирають найбільш багаті білками частини рослин, наприклад зерно. Тому в грунт необхідно вносити добрива, відшкодовують в ній найважливіших елементів живлення рослин.

Кругообіг фосфору

Фосфор входить до складу генів і молекул, що переносять енергію всередину клітин. У різних мінералах фосфор міститься у вигляді неорганічного фосфатіона (PO43-). Фосфати розчиняються у воді, але не летючі. Рослини поглинають PO43- з водного розчину і включають фосфор до складу різних органічних сполук, де він виступає у формі так званого органічного фосфату. По харчових ланцюгах фосфор переходить від рослин до всіх інших організмам екосистеми. При кожному переході велика ймовірність окислення містить фосфор з'єднання в процесі клітинного дихання для отримання організмом енергії. Коли це відбувається, фосфат в складі сечі або її аналога знову надходить у навколишнє середовище, після чого знову може поглинатися рослинами і починати новий цикл.

На відміну, наприклад, від вуглекислого газу, який, де б він не виділявся в атмосферу, вільно переноситься в ній повітряними потоками поки знову не засвоїться рослинами, у фосфору немає газової фази і, отже, немає "вільного повернення" в атмосферу. Потрапляючи у водойми, фосфор насичує, а іноді й перенасичує екосистеми.Зворотного шляху, по суті справи, немає. Щось може повернутися на сушу за допомогою рибоядних птахів, але це дуже невелика частина загальної кількості, що виявляється до того ж поблизу узбережжя. Океанічні відкладення фосфату з часом піднімаються над поверхнею води в результаті геологічних процесів, але це відбувається протягом мільйонів років.

Отже, фосфат і інші мінеральні біогени грунту циркулюють в екосистемі лише в тому випадку, якщо містять їх "відходи" життєдіяльності відкладаються в місцях поглинання даного елемента. У природних екосистемах так в основному і відбувається. Коли ж у їх функціонування втручається людина, він порушує природний кругообіг, перевозячи, наприклад, урожай разом з накопиченими з грунту биогенами на великі відстані до споживачів.

Кругообіг сірки

 

Сірка є важливим складовим елементом живої речовини. Більша частина її в живих організмах знаходиться у вигляді органічних сполук. Крім того, сірка входить до складу деяких біологічно активних речовин: вітамінів, а також ряду речовин, які виступають в якості каталізаторів окислювально-відновних процесів в організмі і активізують деякі ферменти.

Сірка являє собою виключно активний хімічний елемент біосфери і мігрує в різних валентних станах в залежності від окислювально-відновних умов середовища.Середній вміст сірки в земній корі оцінюється в 0,047%. У природі цей елемент утворює понад 420 мінералів.

У вивержених породах сірка знаходиться переважно у вигляді сульфідних мінералів: піриту, пірроніта, халькопирита, в осадових породах міститься в глинах у вигляді гіпсів, в копалин вугіллі - у вигляді домішок сірчаного колчедану і рідше у вигляді сульфатів. Сірка в грунті знаходиться переважно у формі сульфатів; в нафті зустрічаються її органічні сполуки.

У зв'язку з окисленням сульфідних мінералів в процесі вивітрювання сірка у вигляді сульфатіона переноситься природними водами в Світовий океан. Сірка поглинається морськими організмами, які багатше її неорганічними сполуками, ніж прісноводні та наземні.