Біогеохімічні процеси в біосфері

Функції живої речовини. Розрізняють п’ять основних функцій живої речовини біосфери.

1. Енергетична функція. Рослини поглинають близько 1% сонячного світла і насичують енергією біосферу. У вигляді хімічних зв’язків фотосінтезіровать з’єднань енергія розподіляється по харчових ланцюгах в екосистемах біосфери. Деяка кількість енергії консервується у вигляді корисних копалин (торфу, вугілля, нафти), насичуючи енергією земні надра.

В енергетичній функції іноді виділяють окислювально-відновну функцію. Хемосинтезирующие бактерії витягують енергію, здійснюючи окислювально-відновні реакції. Серобактерии отримують енергію, окислюючи сірководень, а железобактерии – двовалентне залізо до тривалентного. Нитрифицирующие бактерії окислюють з’єднання амонію до нітритів і нітратів.

2. Средообразующая. Живі істоти формують грунт, підтримують складу атмосфери і гідросфери. Без фотосинтезу атмосферний кисень витратився б за 2000 років, а зростання кількості вуглекислого газу через 100 років привів би до загибелі організмів. За день лісовий масив здатний поглинути до 20-25% вуглекислого газу з шару повітря в 50 м. Середнє дерево забезпечує киснем 4 чоловік, один гектар листяного лісу поблизу міста затримує понад 100 т пилу в рік.

Завдяки діяльності дрібних байкальских рачків, тричі на рік проціджують усю воду озера, Байкал славиться своєю чистою водою. Двостулкові молюски Волгоградського водосховища, двічі на місяць профільтровуючи повний його обсяг – 35 км3, осаджують на грунт з квітня по листопад більше 29 млн т суспензії.

3. Концентраційна функція. Живі істоти концентрують у своїх організмах різні хімічні елементи, розсіяні в біосфері. Найактивнішими концентраторами є мікроорганізми. До 90% грунтового азоту – результат діяльності ціанобактерій. Одні бактерії концентрують залізо (наприклад, окислюючи добре розчинний у воді гідрокарбонат до нерозчинного гідроксиду, що накопичується в місці їх існування), інші – марганець, треті – срібло. Бактерії здатні збільшувати вміст заліза – в 650 тис. Разів, марганцю – в 120 тис. Разів, ванадію – в 420 тис. Разів.

Ця дивовижна здатність дозволила вченим припустити, що співтовариства бактерій роблять суттєвий внесок у формування родовищ металів. Германій і селен в деяких країнах добувають з рослин. В водорості фукус накопичується титану в 10 тис. Разів більше, ніж у навколишньому морській воді. Кожна тонна бурих водоростей містить кілька кілограмів йоду. Австралійський шовковистий дуб концентрує алюміній, один з видів американського дуба – мідь, сосна накопичує берилій, береза – стронцій та барій, модрина – марганець і ніобій, а черемха, осика і ялиця – торій. Золото «збирають» дуб, кукурудза, хвощ, бурі і червоні водорості, а в 1 т золи полину може міститися до 85 г цього дорогоцінного металу. Молюски концентрують нікель, восьминоги – мідь, медузи – цинк і алюміній.

4. Деструктивна функція. Різноманітні живі організми від бактерій і грибів до вищих рослин виділяють речовини, що роз’їдають і руйнують породи літосфери. Ціанобактерії, бактерії, гриби і лишайники виділяють неорганічні і органічні кислоти, що руйнують тверді породи.

5. Транспортна функція організмів пов’язана з перенесенням мас речовини. Рослини втягують корінням воду і випаровують її в атмосферу, риба пливе проти течії, що риє істоти викидають землю наверх, стада і зграї мігрують. Вага зграї перелітної сарани може сягати мільйонів тонн.

Різноманітні функції живої речовини дозволяють йому проводити грандіозну геологічну роботу, формувати вигляд біосфери, активно брати участь у всіх її процесах.

Роль живих організмів у формуванні осадових порід. Першим етапом утворення осадових порід є вивітрювання – руйнування літосфери під дією природних факторів: повітря, води, сонця і живих організмів.

Коріння рослин наділені дивовижною життєздатністю; проникаючи в породу, вони руйнують її. Просочуючись у утворені країнами тріщинки, вода розчиняє і забирає речовину. Розчиненню сприяють містяться в природній воді роз’їдають речовини живих організмів. Особливо інтенсивно виділяють органічні кислоти лишайники. Речовини, що виділяються ціанобактеріями і діатомових водоростей, роз’їдають і перетворюють на пісок мінерали, основу яких складають сполуки кремнію й алюмінію. Фізичне вивітрювання порід супроводжується, таким чином, хімічним вивітрюванням.

За рахунок відмирання організмів планктону і бентосу щорічно на дні морів і океанів відкладається близько 100 млн т органогенних вапняків (частина вапняків – хімічного походження, вони відкладаються, наприклад, в зоні контакту кислотних і лужних підземних вод). Одноклітинні діатомові водорості і радіолярії, відмираючи, формують крем-нійсодержащіе мули, що покривають сотні тисяч квадратних кілометрів морського дна.

Живі істоти вносять істотний внесок у осадконако-полонених і формування порід літосфери.

Грунтоутворюючих роль живих організмів. Руйнування гірських порід і їх подальша переробка мікроорганізмами і рослинами призводить до утворення пухкої родючим оболонки землі – грунту. Коріння дерев витягують з глибоких горизонтів грунту елементи мінерального живлення і збагачують ними верхні шари, підвищуючи родючість грунтів. Мертві коріння і листя рослин, трупи і екскременти тварин служать їжею для грунтових організмів, минерализующих органічні залишки і збагачують грунт біогенними сполуками.

Грунтові безхребетні виробляють і виділяють у ґрунт різні біологічно активні речовини, так, наприклад, дощові черв’яки продукують сполуки, що сприяють росту рослин.

Різні хребетні (кроти, землерийки) і безхребетні тварини, грунтові комахи та їх личинки проводять величезну структуроутворювальну роботу. Вони розпушують ґрунт, роблять її пористої і придатною для життєдіяльності рослин. Пористість сприяє газообміну, необхідному для розвитку коренів рослин. Число дощових черв’яків на гектарі лісу сягає 2-3 млн (1-2 т), за добу вони можуть перерити до 10 т землі. Пропускаючи грунт через кишечник і виносячи її на поверхню, вони щорічно формують шар переробленого грунту товщиною до 0,5 см, масою 25 т / га. Черви мешкають в грунті кількома ярусами. Одні проникають на глибину до метра і затягують туди залишки листя, інші живуть в тонкому шарі грунтового перегною (20-30 см), а третє проводять життя в шарі листяного опаду.

Вночі при охолодженні і стисненні повітря проникає в грунт. Кисень використовується для дихання грунтовими організмами і клітинами коренів рослин. Азот зв’язується бактеріями і ціанобактеріями. Вдень при нагріванні грунт виділяє продукти життєдіяльності грунтових організмів і розкладання органічних залишків: аміак, сірководень і вуглекислий газ. Дощова вода частково утримується грунтом, інша її частина, розчиняючи мінеральні солі, виносить їх у ріки й океани, де вони осідають або використовуються водними організмами. У нагрітої грунті вода піднімається по капілярах і випаровується. Відбувається переміщення розчинів і відкладення солей в різних грунтових горизонтах.

Потужність шару грунту, як і кількість біомаси, збільшується з наближенням до екватора. Тундрова грунт північних широт має товщину 5-10 см, в хвойних і листяних лісах вона досягає 20-40 см, в степах – до 1,5 м, а в тропічних лісах – 10 м.

До складу ґрунту входить 40-60 об’ємних відсотків мінеральних речовин, 25-35% води, 15-25% повітря, а також до 10-16% органічних речовин, близько 90% яких становлять гумус (<лат. Humus грунт). Кількість гумусу служить показником родючості. У чорноземах його 400-700 т / га, а в грунтах тундри і пустель – всього 0,6-0,7 т / га.

Частинки гумусу будуються з фрагментів органічних молекул (білків, вуглеводів) за активної участі мікроорганізмів грунту. Спочатку грунтові тварини (черви, комахи) роздрібнюють залишки рослин. Потім гриби і мікроорганізми розщеплюють складні органічні молекули (целюлозу, білки та ін.) На прості фрагменти. Інші мікроорганізми за допомогою ферментів з’єднують ці фрагменти в органічні молекули гумусу (в основному, гумінові кислоти), довгими ланцюгами обвивають частинки глини в кілька шарів. Виходять стійкі до дії хімічних сполук і мікроорганізмів гранули, здатні зберігати запас родючості тривалий час.

При нестачі поживних речовин особливі мікроорганізми «роздруковують» ці гранули і вивільняють їх родючі компоненти. Важливо, що це відбувається поступово: «роздруковані» мінеральні компоненти гумусу не встигають вимиватися, а засвоюються рослинами.

Частинки гумусу надають грунті водо- і повітропроникність. Гумус бере участь у руйнуванні мінералів грунтової підкладки, залучає їх в біологічний кругообіг. Мікроі рганизме-гумусообразователі теплолюбні, тому в південних широтах грунту особливо багаті гумусом. Коли грунт розорюють і залишають під паром на рік-два, то в прогрітій зораної землі мікроорганізми утворюють гумус з відмерлої при оранні рослинності. Грунт, збагачена гумусом, стає більш родючим. У цьому секрет так званого чорного пару (коли землю залишають під пар зораної). Особливо багата гумусом степова грунт. У степу мешкає безліч копитних, змій, гризунів, лисиць, ящірок. Їх екскременти добре удобрюють ґрунт, мікроорганізми ефективно переводять їх в гумус. Азотні добрива знижують вміст гумусу, оскільки в умовах надлишку азоту активізуються мікроорганізми, що руйнують гумус. Чорноземи російських степів містили до 12-16% гумусу, перевершуючи родючістю грунту Бразилії, Венесуели і США. Тому-то німецькі окупанти і вивозили ешелонами російський і український чорнозем.

У гумусі міститься основний енергетичний запас грунту. Рослинність чорнозему використовує лише 10% енергії, запасеної в гумусі.

Грунт може віддавати гумус на харчування рослин, а може накопичувати його в нижніх горизонтах, витрачаючи свою енергію економно. Здатність м’язів людини до напруги залежить від наявності в них кальцію, грунт теж «напружується» або «розслабляється» залежно від присутності цього елемента у верхніх горизонтах. При його наявності частинки гумусу робляться нерозчинними і не вимиваються в нижній горизонт. Грунтові мікроорганізми поступово «роздруковують» гранули гумусу; складові його мінеральні сполуки (в основному – солі азоту і фосфору) витрачаються на харчування, і рослинність бурхливо розвивається. При відсутності кальцію частинки гумусу розчиняються і виносяться водою в нижній запасающий горизонт, а рослини розвиваються слабше. Грунт з нестачею кальцію не може бути родючою, в неї вносять додатково кальцийсодержащие з’єднання.

Під Псковом розташовані поруч два лісових ділянки з різко различающейся рослинністю. На одному – діброва і конюшиновий луг, на іншому – ялиновий ліс і убога осока. Впливає на родючість грунту складу підгрунтових порід на межі ділянок різко змінюється. Тому на одній ділянці – багата кальцієм вапняна грунт, на іншому – бідні кальцієм суглинки. Кількість рослинності та її розвиток залежить і від вмісту в грунті інших хімічних елементів.

Взаємозв’язком рослинності і складу порід давно навчилися користуватися геологи. На родовищах вугілля і нафти рослини зазвичай дуже великі. Там, де надра містять залізо, свинець, мідь або радіоактивні руди, рослинність завжди пригноблена. При надлишку алюмінію листя закручується, а мідь робить рожеві та жовті пелюстки троянд блакитними або навіть чорними. Рожеві квітки іван-чаю робляться на уранових рудах білими або пурпуровими. На родовищах платини чорніє соснова хвоя. Серед усіх біокосних систем біосфери грунт має найвищу концентрацію живих організмів. Екологи припускають, що специфічний запах землі обумовлений продуктами метаболізму мікроорганізмів. В 1 см3 лісового грунту – 10 млн бактерій, 200 тис. Водоростей, 20 тис. Найпростіших, загальна довжина грибниці – до 2 км, в 1 г чорнозему – до 10 млрд бактерій. Всі ці дрібні істоти – основні трудівники грунту, чуйно реагують на присутність сторонніх хімічних речовин, тому так важливо захищати природні біоценози від забруднення.

...
ПОДІЛИТИСЯ:

Дивіться також:
Рослинність степів