4.8. 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, і великий, геологічний, колообіги речовин, а також колообіги біогенних елементів. Малий, або біологічний (біотичний), колообіг відбувається в мікроекосистемах. 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 на с. 52).
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.
Органогени – вуглець, кисень, водень, азот, фосфор, сірка та ще близько 30 елементів, які необхідні для побудови простої клітини (табл. 4.1), безперервно перетворюються на органічні речовини (ліпіди, цукри і амінокислоти) або споживаються у вигляді неорганічних йонів автотрофними рослинами, а потім мікроорганізмами-деструкторами. Останні розкладають виділення, рослинні рештки та трупи на розчинні мінеральні елементи або газоподібні речовини (NН3. Н2S, СН4 та ін.). Утворені неорганічні сполуки повертаються в ґрунт, воду та атмосферу. Таким чином здійснюється безперервна циркуляція біогенних елементів. Вони розчиняються в континентальних поверхневих водах, виносяться в моря та потрапляють в атмосферу. Між ґрунтом, водою та атмосферним повітрям відбувається постійний газообмін. Таким чином здійснюється великий (геологічний) колообіг між океанами і континентами в межах усієї планети.
Відповідно до закону біогенної міграції атомів, який сформулював В. І. Вернадський, міграція хімічних елементів на земній поверхні та в біосфері загалом здійснюється під переважаючим впливом живої речовини, організмів. Так відбувалося і в геологічному минулому, мільйони років тому, так відбувається і в сучасних умовах. Жива речовина або бере участь у біохімічних процесах безпосередньо, або створює відповідне, збагачене на кисень, вуглекислий газ, водень, азот, фосфор та інші речовини середовище.
З понад 90 хімічних елементів, що трапляються у природі, 30-40 необхідні живим організмам. Деякі з них (карбон, оксиген, гідроген, нітроген) потрібні у значних кількостях, інші – в малих або зовсім малих. Всі ці елементи беруть участь у біогеохімічних колообігах. Під останніми розуміють обмін хімічних елементів у вигляді органічних речовин і неорганічних сполук між живими організмами та неорганічним середовищем.
Таблиця 4.1. Вміст хімічних елементів у біосфері й тілі людини
Елемент |
Масова частка, % |
|
у біосфері |
у тілі людини |
|
Гідроген (водень) |
0,95 |
9,31 |
Карбон (вуглець) |
0,18 |
19,37 |
Нітроген (азот) |
0,03 |
5,14 |
Оксиген (кисень) |
50,02 |
62,81 |
Флуор (фтор) |
0,10 |
0,009 |
Натрій |
2,36 |
0,04 |
Магній |
2,08 |
0,001 |
Алюміній |
7,30 |
Сліди |
Силіцій |
25,80 |
0,64 |
Фосфор |
0,11 |
0,63 |
Сульфур (сірка) |
0,11 |
0,18 |
Хлор |
0,20 |
0,22 |
Калій |
2,28 |
1,38 |
Кальцій |
3,22 |
0,0001 |
Манган |
0,08 |
0,005 |
Ферум (залізо) |
4,18 |
0,006 |
Різні стадії цього колообігу відбуваються всередині екосистем між автотрофами й гетеротрофами. На шляху між останніми елементи потрапляють до так званого резервного фонду. 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 її безпосереднім оточенням.
Розрізняють три основних типи біогеохімічних колообігів: 1) колообіг газоподібних речовин з резервним фондом в атмосфері або гідросфері; 2) осадовий цикл з резервним фондом у земній корі та 3) 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 вуглецю, азоту, кисню, сірки колообіги можуть швидко саморегулюватися. Існування біогеохімічних циклів сприяє саморегуляції всієї екосистеми та надає їй більшої стійкості.
Жива речовина, завдяки якій відбувається біологічний колообіг речовин в екосистемах, характеризується високою активністю (швидким колообігом). Уся жива речовина біосфери оновлюється в середньому впродовж восьми років. Фітомаса суші поновлюється приблизно за 14 років, біомаса Світового океану – за 33 доби, а його фітомаса – щодня.