Біосферний і біологічний кругообіг

Всі речовини на нашій планеті перебувають в стані постійного круговороту. Сонячна енергія викликає на Землі два кругообігу речовин: один, великий, що охоплює всю біосферу, називається біосферним, а інший – малий – протікає всередині екосистеми і називається біологічним.

Біосферному круговороту речовин передує геологічний, який обумовлює руйнування, міграцію та акумуляцію хімічних сполук і речовин. У такій міграції провідна роль належить сонячної енергії, від якої залежать швидкість і масштабність розвитку екзогенних процесів. У них чільна роль належить гравітаційним і особливо термічним властивостям поверхні суші і водної оболонки, які поглинають і відображають сонячні промені, володіють теплопровідністю і теплоємністю. Нестійкий гидротермический режим Землі разом з планетарною системою циркуляції атмосфери зумовив геологічний кругообіг речовин, який разом з ендогенними процесами – спрединг, субдукцією, вулканізмом, тектонічними рухами – викликає формування і розвиток океанів і континентів. Продукти вивітрювання транспортуються повітряними масами і водними потоками. З появою біосфери в великий кругообіг речовин включилися продукти життєдіяльності організмів, і, таким чином, геологічний круговорот придбав зовсім нові риси. Він стає постачальником живим організмам поживних речовин, багато в чому визначає умови їх існування і при цьому поряд з механічною та хімічною диференціацією і акумуляцією речовини стала здійснюватися біологічна дезінтеграція та біологічна акумуляція речовини.

Великий кругообіг речовин в біосфері характеризується двома важливими особливостями. По-перше, він здійснюється протягом всієї історії існування біосфери, тобто починаючи принаймні з 3,8-4,0 млрд. років тому. По-друге, він представляє собою сучасний планетарний процес, що грає важливу роль у подальшому існуванні і розвитку біосфери.
Переміщається в геологічному кругообігу неорганічне речовина є своєрідним резервним фондом для біологічного гілки біосферного кругообігу. Цей резервний фонд зосереджений в атмосфері у вигляді газів і термодинамічно активних речовин, у воді – у вигляді розчинених хімічних елементів і їх сполук, в літосфері – у вигляді мінеральних і органо речовин, частина з яких знаходиться у верхніх горизонтах і грунтах. З атмосферою і гідросферою пов’язаний в основному транзитний цикл кругообігу, а з літосферою і частково з гідросферою – акумулятивний, або осадовий.
Малий, або біологічний, кругообіг речовин розвивається на тлі геологічного, що охоплює всю біосферу. Хоча він відбувається всередині окремих екосистем, він не замкнутий, а це викликано тим, що в екосистему речовина і енергія надходять ззовні.

Рослини, тварини і грунтовий покрив на суші утворюють складну глобальну систему, яка формує біомасу, зв’язує і перерозподіляє сонячну енергію, вуглець атмосфери, вологу, кисень, водень, азот, фосфор, сірку, кальцій та інші елементи, що у життєдіяльності організмів, які називаються біогенними елементами. Рослини, тварини і мікроорганізми водного середовища, які виконують ту ж функцію зв’язування і перерозподілу сонячної енергії та біологічного кругообігу речовин, утворюють іншу глобальну систему.

Особливість біологічного кругообігу полягає в перебігу трьох протилежних, але взаємопов’язаних процесів: формування органічної речовини, його руйнування і перерозподіл. Початковий етап виникнення органічної речовини обумовлений життєдіяльністю продуцентів і пов’язаний з фотосинтезом рослин, тобто з утворенням органічної речовини з вуглекислого газу, води і простих мінеральних речовин з використанням сонячної енергії. Рослини витягають з грунту в розчиненому вигляді сірку, фосфор, кальцій, калій, магній, марганець, кремній, алюміній, мідь, цинк та інші життєво необхідні елементи та мікроелементи. Консументи першого порядку, тобто травоїдні тварини, поглинають створене органічна речовина і разом з їжею рослинного походження засвоюють необхідні для життєдіяльності біогенні елементи. Консументи другого порядку – хижаки-харчуються рослиноїдних тваринами і таким чином вживають в їжу органічні речовини більш складного складу, включаючи білки, жири, амінокислоти, а разом з ними також необхідні для подальшої життєдіяльності мікроелементи.

У процесі руйнування мікроорганізмами органічної речовини рослинного або тваринного походження в грунт і водне середовище надходять прості мінеральні сполуки, доступні для засвоєння рослинами. Таким чином, починається новий цикл біологічного кругообігу.
На відміну від великого малий кругообіг має безсумнівно меншу, але неоднакову тривалість. Розрізняють сезонні, річні, багаторічні і вікові малі кругообіги. При розгляді біологічного кругообігу речовин основну увагу приділяють річного ритму, що визначається річної динамікою розвитку рослинного покриву.

Обмін речовиною і енергією, що здійснюється між різними структурними частинами біосфери і визначав життєдіяльністю мікроорганізмів, називається біогеохімічним циклом. Це поняття ввів у світову науку В. І. Вернадський, і тільки після цього перестало існувати уявлення про круговороті речовин як про замкнутій системі. Всі біогеохімічні цикли складають сучасну динамічну основу існування життя. Вони взаємопов’язані між собою, і в той же час кожен з них грає свою неповторну роль в еволюції біосфери.

Окремі циклічні процеси разом з тим не є повністю оборотними. Одна частина елементів і сполук у процесі міграції та перетворення розсіюється або зв’язується в нових системах і, отже, випадає з кругообігу. Інша частина речовин здатна повернутися в круговорот, але досить часто він набуває нових якостей, і при цьому змінюється кількісний склад речовин, що беруть участь у кругообігу. Частина речовин внаслідок геологічних процесів, зокрема субдукції, може вилучатись з кругообігу і, переміщаючись в нижні горизонти літосфери, видозмінюватися, а частина, в основному в газоподібному стані, – віддалятися з атмосфери в космічний простір.

Тривалість круговоротів тих чи інших речовин у різних системах надзвичайно різна. Встановлено, що повний оборот вуглекислого газу в атмосфері через фотосинтез становить близько 300 років, кисню атмосфери і теж через фотосинтез – 2000-2500 років, азоту атмосфери через біологічну фіксацію і фотохімічним шляхом – приблизно 100 млн. років, а води через випаровування – близько 1 млн. років.
У біосферному і біологічному круговоротах бере участь величезна кількість хімічних елементів і сполук, але найважливішими з них є ті, які визначають сучасний етап розвитку біосфери, пов’язаний з господарською діяльністю людини. До них відносяться кругообіги вуглецю, сірки, азоту і фосфору. Оксиди перших трьох є головними забруднювачами атмосфери, а фосфати – забруднювачами водних басейнів. Велике значення має знання кругообігів ряду токсичних елементів і, зокрема, ртуті (забруднювач харчових продуктів) і свинцю (компонент бензину, який виступає як забруднювач грунту і атмосфери). У кругообіг залучаються багато речовини антропогенного походження (ДДТ, пестициди, радіонукліди тощо), які завдають шкоди біоті і здоров’ю людини.

ПОДІЛИТИСЯ: