Біогеохімічні цикли біогенних елементів і води в біосфері

Ключовим розділом вчення про біосферу є уявлення про круговоротах речовини і потоках енергії. Всі хімічні елементи циркулюють у біосфері по певних шляхах: із зовнішнього середовища в організми і з них знову в зовнішнє середовище. Ці шляхи, більшою чи меншою мірою замкнуті, називають биогеохимическими циклами.
Кругообіг речовин – це багаторазове участь речовин в процесах, що протікають в атмосфері, гідросфері та літосфері.
Геологічний (великий) кругообіг речовин пов’язаний з утворенням і руйнуванням різних форм рельєфу в результаті геологічних процесів з участю енергії Сонця (горотворення, вивітрювання гірських порід, підйом нових материків). Геологічний кругообіг протікає без участі живих організмів і охоплює великі області за межами біосфери.
Рушійною силою біологічного (біогеохімічного або малого) кругообігу речовин є діяльність живих організмів, а головним джерелом енергії є сонячна радіація. Він відбувається в межах біосфери, а його інтенсивність визначається в першу чергу температурою навколишнього середовища і кількістю води (у тропіках швидкість кругообігу вище, ніж в тундрі).
Рушійною силою антропогенного кругообігу речовин є господарська діяльність людини, яка призводить до виснаження природних ресурсів і забруднення природного середовища, що обумовлює незамкнутість антропогенного кругообігу (обміну) речовин.
Зі всіх хімічних елементів найбільш важливими для організмів і значущими для біосфери є кругообіг біогенних елементів, що входять до складу живої речовини: вуглецю, кисню, азоту, фосфору і сірки. Ці кругообіги створюються живою речовиною і одночасно підтримують життєдіяльність самих живих організмів.
У процесі фотосинтезу за рік зеленими рослинами споживається 480 млрд т речовини, йде в атмосферу 250 млрд т вільного кисню; при цьому створюється 240 млрд т живої речовини, в круговорот втягується 1,0 млрд т азоту, 260 млн т фосфору, 200 млн т сірки.
За час існування біосфери вільний кисень атмосфери оновлювався не менше мільйона разів, а води Світового океану пройшли через біогенний цикл не менше 300 разів.
Кругообіг води відіграє головну роль у зв’язуванні геологічного і біотичного кругообігів (рис. 31).
У біосфері вода здійснює великий і малий кругообіг, безперервно переходячи з одного стану в інший.
Вода випаровується і повітряними течіями переноситься на багато кілометрів. Випадаючи на поверхню суші у вигляді опадів, вона сприяє руйнуванню гірських порід, робить їх доступними для рослин і мікроорганізмів, розмиває верхній грунтовий шар і йде разом з розчиненими в ній хімічними сполуками і зваженими органічними частками в океани і моря.
Підраховано, що із поверхні Землі за 1 хв випаровується близько 1 млрд тонн води (на освіту 1 г водяної пари необхідно 2,248 кДж). Енергія, що витрачається на випаровування води, повертається в атмосферу.
Взаємодіючи з літосферою, атмосферою і живою речовиною, кругообіг води пов’язує всі частини гідросфери: океан, річки, грунтову вологу, підземні води й атмосферну вологу.
Циркуляція води між Світовим океаном і сушею являє собою найважливіша ланка в підтримці життя на Землі і є основною умовою взаємодії рослин і тварин з неживою природою.

При цьому відбувається поступове руйнування літосфери, перенесення її компонентів в глибини морів і океанів, що є прикладом великого геологічного кругообігу.
Малий кругообіг води відрізняється тим, що він відбувається в межах екосистеми, являючи собою кругову циркуляцію води між гідросферою, ґрунтом, атмосферою, рослинами, тваринами і мікроорганізмами.
Кругообіг вуглецю (рис. 32) в біосфері починається з поглинання СО2 при фотосинтезі зеленими рослинами і водоростями, включає проходження вуглецю по ланцюгах харчування у складі різноманітних органічних сполук і закінчується виділенням вуглецю у вигляді СО2, що утворюється при окисленні органічних речовин у процесі дихання всіх видів організмів або їх розкладання після загибелі.
Частина вуглецю може виводитися з круговороту і при подальшому похованні детриту накопичуватися в літосфері у вигляді торфу, вугілля, гірських сланців, розсіяною органіки або осадових гірських порід.
Людина у величезних кількостях видобуває викопне паливо для забезпечення своїх енергетичних потреб і, спалюючи його, завершує кругообіг вуглецю, повертаючи в атмосферу вуглекислий газ.

Інший шлях вуглецю пов’язаний зі створенням карбонатної системи в різних водоймах, де CO2 переходить в H2CO3, а потім за допомогою розчиненого у воді кальцію (рідше магнію) відбувається осадження карбонатів CaCO3 біогенним і абіогенним шляхами з утворенням покладів вапняків.
Кругообіг вуглецю нерозривно пов’язаний з кругообігом кисню – одного з найбільш активних газів, що займає у складі земної атмосфери друге місце після азоту.
Кругообіг кисню вельми складний, оскільки О2 входить до складу безлічі хімічних сполук мінерального і органічного світів, але однією з ключових ланок його також є СО2.
Кругообіг азоту (рис. 33) є прикладом саморегульованого циклу з великим резервним фондом в атмосфері, в якій азот становить 78%.
Велику роль у цьому циклі грають мікроорганізми – азотфіксатори (бульбочкові бактерії бобових рослин, деякі водорості і гриби), що переводять N2 в нітрати, доступні іншим рослинам. Від них по харчових ланцюгах азот передається іншим організмам екосистеми. Продукти їх життєдіяльності і мертві тіла, розкладаючись за допомогою бактерій, повертають азот в грунт, головним чином у аммонийной (NH4 +) формі, яку деякі бактерії-нітріфікатори можуть переводити в нітритну (NО2-) або нітратну форму (NО3-), засвоювані якими рослинами . Відновлення пов’язаного азоту до газоподібного N2 або оксидів азоту NxOy здійснюється бактеріями-денітріфікатори.
Проблеми, пов’язані з кругообігом азоту, полягають в тому, що для підвищення продуктивності агроценозів людина вносить в грунт азотні добрива, які засвоюються не більше ніж на 50%. Змиті в річки нітрати призводять до евтрофікації водойм (збільшенню донних відкладень). Накопичені в овочах нітрати можуть викликати отруєння. Оксиди азоту, які утворюються в двигунах внутрішнього згоряння і входять до складу фотохімічного смогу, взаємодіючи на світлі з не повністю згорілими вуглеводнями палива, утворюють отруйні озон і ПАН (пероксіацетілнітрат). Крім того, оксиди азоту в деяких районах дають до 40% кислотних дощів.
Кислотні дощі пов’язані і з кругообігом сірки, який має свої особливості. Сірка – біогенний елемент, який має великий резервний фонд у грунті у вигляді сульфатів і утворює понад 400 мінералів. У круговороті сірки поряд з геохімічними і метеорологічними процесами велику роль відіграють мікроорганізми. Частина з них виконує функцію окислення (наприклад, аеробне окислення H2S до SO42- серобактериями), а інша – відновлення (анаеробне відновлення SO42- до H2S сульфатредукуючими бактеріями). Сульфат SO42- – це основна доступна для живих організмів форма сірки, яка відновлюється автотрофами і включається в білки.
Кругообіг фосфору – це приклад осадового циклу з резервним фондом в земній корі. Фосфор входить до складу різних мінералів, утримується у вигляді неорганічних фосфат-іонів PO43-. Їх поглинають рослини, включають до складу різних органічних сполук і передають по харчових ланцюгах іншим організмам екосистеми. У процесі клітинного дихання фосфати знову надходять у навколишнє середовище, після чого можуть знову поглинатися рослинами і починати новий цикл.
На відміну від вуглекислого газу, який вільно переноситься повітряними потоками, у фосфору немає газової фази. Коли фосфор потрапляє у водойми, то акумулюється там, насичуючи, а іноді і перенасичуючи їх екосистеми.
Фосфор циркулює в екосистемі лише в тому випадку, якщо містять його «відходи» життєдіяльності відкладаються в місцях поглинання даного елемента, як це і відбувається в природних екосистемах. Якщо в цей процес втручається людина, то природний круговорот порушується. Наприклад, транспортування добрив або врожаю разом з акумульованими биогенами на великі відстані до споживачів.
Показником масштабу біотичного кругообігу служать темпи обороту вуглекислого газу, кисню і води. Весь кисень атмосфери проходить через організми приблизно за 2 тис. Років, вуглекислий газ – за 300 років, а вода повністю розкладається і відновлюється в біотичному кругообігу за 2 млн років.
Таким чином, завдяки кругообігу речовин можливе тривале існування й розвиток життя при обмеженому запасі доступних хімічних елементів.

Посилання на основну публікацію