Теоретичні відомості.

Біологічний кругообіг - це надходження речовин і хімічних елементів з ґрунту й атмосфери до живих організмів, утворення в цих тілах нових складних сполук та їх повернення з організмів або продуктів їх розкладу до ґрунту й атмосфери

Біологічний кругообіг вуглецю

Біологічний колообіг вуглецю пов'язаний з життєдіяльністю організмів. Біологічний цикл полягає в тому, що вуглець у вигляді СО2 поглинається із тропосфери рослинами. Потім із біосфери знову повертається в геосферу : з рослинами вуглець потрапляє до організму тварин та людини, а потім при гнитті тваринних та рослинних матеріалів — до ґрунту, і у вигляді СО2 — до атмосфери.

Вуглець — основний біогенний елемент. Він відіграє важливу роль в утворенні живої речовини біосфери. Вуглекислий газ із атмосфери в процесі фотосинтезу, який здійснюють зелені рослини, асимілюється і перетворюється на численні різноманітні органічні сполуки рослин. Рослинні організми, особливо нижчі мікроорганізми, морський фітопланктон, завдяки виключній швидкості розмноження, виробляють на рік близько 1,5• 10 7 т вуглецю у вигляді органічної маси.

Рослиннні організми часто поїдаються тваринними. При цьому утворюються більш або менш складні трофічні зв'язки. В остаточному підсумку органічна речовина в результаті дихання організмів, розкладу їхніх трупів, процесів бродіння, гниття та горіння перетворюється на вуглекислий газ або відкладається у вигляді сапропелю, гумусу, торфу, які, в свою чергу, дають початок багатьом іншим каустобіолітам — кам'яному вугіллю, нафті, горючим газам. Біологічний цикл вуглецю закінчується або окисненням і поверненням у атмосферу, або відкладенням у вигляді вугілля або нафти.

В процесах розпаду органічних речовин величезну роль відіграють бактерії та гриби. В активному колообігу вуглецю бере участь дуже невелика частка всієї його маси. Величезну кількість вугільної кислоти законсервовано у вигляді вапняків та інших порід. Між вуглекислим газом атмосфери і води океану, в свою чергу, існує рухома рівновага.

Водні організми поглинають вуглекислий кальцій, утворюють свої кістяки, а потім з них утворюються пласти вапняків. Із атмосфери було вилучено і захоронено в десятки тисяч разів більше вуглекислого газу, ніж в ній перебуває зараз. Атмосфера поповнюється вуглекислим газом завдяки процесам розкладу органічної речовини, карбонатів тощо, а також в результаті індустріальної діяльності людини. Особливо потужним джерелом є вулкани, гази яких складаються головним чином із вуглекислого газу та водяної пари. Деяка частина вуглекислого газу і води, що виділяються при вивержені вулканів, виділяється з осадових порід, зокрема вапняків, при контакті магми з ними і їх асиміляції магмою. В процесі колообігу вуглецю відбувається неодноразове його фракціонування по ізотопному складу, особливо у магматогенному процесі (утворення СО2, алмазів, карбонатів), при біогенному перетворенні органічної речовини (вугілля, нафти, тканин організмів тощо).

Життя на Землі і газовий баланс атмосфери підтримуються відносно невеликою кількістю вуглецю, що бере участь у малому колообігу і міститься в тканинах рослин (5*1011 т) тварин (5*1016 т).

Кругообіг кисню

Природними продуцентами вільного молекулярного кисню на Землі є зелені рослини, що утворюють його в процесі фотосинтезу. Атмосфера містить 1,2 - 2,0 o 1015 т кисню. Щорічно цей запас поповнюється на 70 - 100 млрд. т за рахунок фотосинтезу зелених рослин, при цьому 55 млрд. т кисню виробляють лісові масиви. Для абсолютної більшості живих організмів кисень є життєво необхідним. Він забезпечує здійснення окислювальних реакцій, під час яких вивільнюється необхідна для життєдіяльності організмів енергія. У природі відбувається постійний кругообіг цього газу в результаті збалансованих процесів використання атмосферного кисню для дихання, окислювальних процесів і виділення його у вільному вигляді при фотосинтезі. За розрахунками, повний кругообіг кисню у біосфері здійснюється за 2000 років.

Кругообіг азоту

Атмосфера є найбільшим резервуаром газоподібного азоту (78 % за об'ємом). Для більшості організмів він є нейтральним газом. Лише для великої групи мікроорганізмів азот є фактором життєдіяльності. Засвоюючи молекулярний азот, такі мікроорганізми після відмирання забезпечують корені вищих рослин доступними формами цього елементу, який включається в склад амінокислот, білків та пігментів. Кругообіг азоту здійснюється за допомогою двох взаємно збалансованих процесів - нітрифікації (послідовне окислення вільного азоту до нітратів, що поглинаються коренями рослин) і денітрифікації (відновлення азотовмісних сполук до вільної форми). Обидва процеси здійснюються бактеріями. Біологічна фіксація азоту становить приблизно 126 млн. т в рік. За рахунок абіогенної фіксації (наприклад, при розрядах блискавок чи виверженнях вулканів) у біосферу додатково поступає 26 млн. т азоту в нітратній формі.

Кругообіг фосфору.

Цей важливий і необхідний для живих організмів елемент циркулює, поступово переходячи з органічних сполук у фосфати, які знову можуть використовуватись рослинами. На відміну від азоту, резервуаром фосфору служить не атмосфера, а гірські породи та інші відклади, що утворились у минулі геологічні епохи. Ці породи поступово піддаються ерозії, вивільнюючи фосфати в екосистеми, але велика кількість фосфатів попадає в море, де частково відкладається у мілководних осадах, а частково губиться у глибоководних. Механізми повернення фосфору в кругообіг вірогідно недостатньо ефективні і не поповнюють втрат. Діяльність людини призводить до посиленої втрати фосфору за рахунок ерозії ґрунтів. З іншого боку, активне використання фосфору в добривах призводить до евтрофікації ("надудобрення") вод, що супроводжується бурхливим розмноженням водоростей ("цвітіння води"), які поглинають розчинений у воді кисень і виділяють токсичні продукти обміну. Сформовані природні екосистеми при цьому руйнуються.

Кругообіг сірки.

Охоплює повітря, води і ґрунти, де відбуваються процеси окислення і відновлення, завдяки яким відбувається обмін сірки між фондом доступного для рослин сульфату (SO4) та фондом сульфідів заліза, що знаходяться глибоко в ґрунті і в осадах. Ці хімічні реакції виконують спеціалізовані мікроорганізми - сіркобактерії.

Кругообіги азоту й сірки все більше підпадають під вплив промислового забруднення повітря. Окиси азоту (N2O і NO2) і сірки (SO2) на відміну від нітратів і сульфатів токсичні. Основне джерело SO2 - спалювання вугілля, а NO2 - вихлопні гази та інші промислові викиди. Двоокис сірки реагує з водною парою повітря, утворюючи капельки сірчаної кислоти, котрі випадають на землю з кислим дощем. Кислі дощі стали серйозною проблемою, оскільки спричиняють всихання дерев і закислення озер на величезних територіях Європи і Північної Америки.

Промислові викиди в атмосферу вуглекислого газу і паралельне збільшення споживання кисню, яке до того ж супроводжується зведенням лісових масивів, загрожує руйнуванням балансу O2 - СO2 в атмосфері, що може стати причиною глобальних кліматичних катаклізмів.

Необережне втручання людини в природний перебіг біогеохімічних циклів, які формувалися протягом десятків і сотень мільйонів років еволюції біосфери, може мати катастрофічні наслідки.

Трансформація енергії у екосистемах.

Левова частка всієї енергії, що надходить до нашої планети представлена сонячною енергією, яка в подальшому перетворюється у екосистемах. Оскільки не всі живі організми здатні використовувати енергію сонячних променів для свого життя, розвитку та існування, то відбувається перехід одного виду енергії в іншу: сонячна енергія у живих організмах перетворюється у теплову, фізичну чи хімічну енергію. Виникає закономірне запитання: як саме відбуваються подібні перетворення?

Річ у тому, що всі живі організми, які населяють певну екосистему поділяються на наступні групи: продуценти, консументи та редуценти (деструктори).

Продуценти (автотрофи та хемотрофи) — це живі організми, які здатні поглинати сонячну енергію, засвоювати її та перетворювати в процесі фотосинтезу на хімічну енергію, яка в подальшому передається наступним елементам екосистеми. До продуцентів належать перш за все зелені рослини, а також синьо-зелені водорості (ціанобактерії). Вказані живі організми відносяться до автотрофів.

Слід зазначити, що серед продуцентів виділяють особливу групу живих організмів, які не засвоюють сонячну енергію, а використовують для свого існування енергію хімічних реакцій — це хемотрофи. До даної групи живих організмів слід віднести перш за все залізобактерії та сіркобактерії, які окиснюють сполуки сірки, або заліза і таким чином одержують необхідну для життєдіяльності енергію.

Консументи (гетеротрофи) — це живі організми, які не здат ні самостійно засвоювати сонячну, або хімічну енергію та змушені живитися автотрофними організмами. До консументів відносяться практично усіх тварин та людину. Слід зазначити що у екосистемах консументи можуть бути першого, другого та вищих порядків.

Редуценти (деструктори) — це живі організми, що харчують відмерлою органікою тваринного або рослинного походження і таким чином отримують необхідну енергію для свого існування. До групи редуцентів відносяться гриби, бактерії, мікроорганізми, кільчасті черви, різного роду комахи.

Для того щоб пояснити особливості передачі енергії у певній екосистемі будують харчові ланцюги, які включають вищезазначені компоненти.

Приклад харчового ланцюга:

ЕНЕРГІЯ(СОНЯЧНА)→РОСЛИНА→КОМАХА→ПТАХ→ХИЖИЙ ПТАХ→ДЕСТРУКТОРИ→ЕНЕРГІЯ (ХІМІЧНИХ ЗВ'ЯЗКІВ).

Слід зазначити, що у екосистемі одразу є декілька десятків імовірних харчових ланцюгів по яких відбувається передача енергії та її перетворення.

Завдання:

1. Користуючись теоретичною частиною дайте порівняльну характеристику кругообігів органогенних елементів у природі.

2. Використовуючи матеріали теоретичної частини побудуйте усі можливі харчові ланцюги із запропонованих елементів: шавлія, гвоздика, яблуня, картопля, томати, попелиці (різні види), колорадські жуки, жуки-сонечка, мурахи, комахоїдні птахи (кропив'янкові, колібрі, мухоловки), комахоїдні ссавці (їжак, землерийки, кроти), хижі птахи, хижі ссавці (лисиця, куниця, лісовий кіт, рись), деструктори (різного роду гриби та бактерії).

3. Запропонуйте власні варіанти харчових ланцюгів не використовуючи поданих вище організмів.

4. Поясніть терміни: продуценти, консументи та редуценти.

5. Зробіть висновки.

Програмові вимоги для здачі заліку із дисципліни “Основи екології”:

1. Екологія, як наука.

2. Прикладний та теоретичний аспекти екології.

3. Перелічіть та дайте коротку характеристику розділів екології.

4. Автекологія.

5. Екологічні фактори. Їхня класифікація.

6. Типи взаємовідносин між живими організмами у навколишньому середовищі.

7. Глобальні проблеми людства.

8. Глобальне потепління.

9. Зменшення видового різноманіття.

10. Опустелення.

11. Знеліснення.

12. Енергетична проблема людства.

13. Проблема перенаселення.

14. Епідеміологічна проблема людства.

15. Руйнування озонового шару.

16. Дайте коротку характеристику атмосфері

17. Загальна характеристика шарів атмосфери.

18. Функції атмосфери. Її значення для живих організмів.

19. Компоненти атмосфери.

20. Класифікація джерел забруднення атмосфери.

21. Класифікація промислових викидів у атмосферу.

22. Класифікація промислових джерел забруднення атмосфери.

23. Дайте коротку характеристику економічним методам боротьби із забрудненням атмосфери.

24. Дайте коротку характеристику промисловим методам боротьби із забрудненням атмосфери.

25. Дайте коротку характеристику економічним та біологічним методам боротьби із забрудненням атмосфери.

26. Гідросфера.

27. Екологічні функції води.

28. Підземні води. Їхня класифікація.

29. Поверхневі води. Їхня класифікація.

30. Стічні води. Їхня класифікація.

31. Озеро. Типи озер.

32. Річка. Типи річок.

33. Болота. Типи боліт.

34. Загальна характеристика фізичного забруднення водойм.

35. Загальна характеристика хімічного забруднення водойм.

36. Загальна характеристика біологічного та теплового забруднення водойм.

37. Типи забруднюючих речовин водойм.

38. Методи очищення стічних вод.

39. Відстоювання.

40. Спливання.

41. Агрегація.

42. Фільтрування.

43. Флорація.

44. Коагуляція.

45. Літосфера.

46. Літосферні плити,

47. Джерела забруднення літосфери.

48. Природно-заповідні території.

49. Природні заповідники.

50. Біосферні заповідники.

51. Національні природні парки.

52. Пам'ятки природи.

53. Заповідні урочища.

54. Головні екосистеми світу.

55. Тундра.

56. Тайга.

57. Мішані та листяні ліси помірної зони.

58. Вічнозелені тропічні дощові ліси.

59. Степи.

60. Лісостепи.

61. Гірські екосистеми Українських Карпат та Криму.

62. Водні та морські екосистеми.

63. Болота.