Тема 6. Функції живої речовини. Біогеохімічні цикли речовин

Функції живої речовини в біосфері:

енергетична – поглинання сонячної енергії в процесі фотосинтезу, а хімічної енергії шляхом розкладу енергонасичених речовин; передача енергії кормовими ланцюгами різнорідної живої речовини;

концентраційна – вибіркове накопичення в ході життєдіяльності окремих видів речовин: а) використовуваної для створення тіла організму; б) виділеної з неї в процесі метаболізму;

деструктивна – мінералізація небіогенної органічної речовини; розкладання неживої органічної речовини; втягування утворених речовин у біохімічний кругообіг;

середовищетворна – перетворення хіміко-фізичних параметрів середовища (головним чином за рахунок не біогенної речовини);

транспортна – перенесення речовин проти сили тяжіння і в горизонтальному напрямку.

Геологічний кругообіг речовин має найбільшу швидкість в горизонтальному напрямку між сушею і морем. Зміст великого кругообігу полягає в тому, що гірські породи розпадаються, вивітрюються, а продукти вивітрювання, в тому числі розчинення у воді поживних речовин, зносяться потоками води в Світовий океан, утворюючи морські нашарування і повертаються на сушу лише частково, наприклад, з опадами. Далі на протязі довгого періоду часу протікають повільні геотектонічні зміни - рух материків, підняття та опускання морського дна, вулканічні виверження і т. д. В результаті яких утворене напластування повертається на сушу і процес починається знову.

Біологічний кругообіг є частиною великого і відбувається на рівні біогеоценозів. Він полягає в тому, що поживні речовини ґрунту, води, CO₂ та інших речовин із атмосфери за рахунок фотосинтезу акумулюються в речовині продуцентів (рослин і деяких бактерій), використовуються на побудову тіла і життєві (обмінні) процеси продуцентів і консументів. Далі в основному за рахунок редуцентів органічні речовини розкладаються і частково мінералізуються, знову стають доступними рослинам і знову ними втягуються в потік речовин (кругообіг). Швидкість переміщення речовин при біологічному кругообігу значно вища, ніж при геологічному.

Біологічний кругообіг характеризується:

- місткістю – кількістю хімічних елементів, які знаходяться одночасно в складі живих речовин екосистеми;

- швидкістю – кількістю живих речовин, які створюються і розпадаються за одиницю часу.

Крім кругообігу речовини та енергії, величезну роль в біосфері мають інформаційні зв'язки. Інформативні сигнали енергетично дуже слабкі й самі не можуть викликати якоїсь відчутної реакції, але вони містять важливі відомості в закодованій формі. Ці сигнали сприймаються, розшифровуються (здебільшого автоматично) та враховуються живими організмами. Обробляти, накопичувати й використовувати інформацію окремо від енергії можуть лише живі організми.

Для постійного існування біосфери, для запобігання припинення розвитку життя на Землі у природі повинні постійно відбуватись безперервні процеси перетворення її живої речовини.

Біологічний кругообіг – це багаторазова участь хімічних елементів у процесах, які протікають у біосфері.

Причина кругообігу – обмеженість елементів, з яких будується тіло організмів.

У біосфері відбувається постійний кругообіг активних елементів, які переходять від організму до організму, у неживу природу і знову до організму. Елементи, які вивільняються мікроорганізмами при розкладанні, надходять у ґрунт і атмосферу, знову включаються в кругообіг речовин біосфери, поглинаючись живими організмами. Весь цей процес і буде біогенною міграцією атомів.

Для біогенної міграції характерним є накопичення хімічних елементів у живих організмах, а також їх вивільнення у результаті розкладу мертвих організмів. Біогенна міграція викликається трьома процесами:

- обміном речовин в організмах;

- ростом;

- розмноженням.

Визначення біогенної міграції хімічних елементів, яка викликана силами життя, дав B.I. Вернадський (закон біогенної міграції атомів). Біогенна міграція є частиною загальної міграції хімічних елементів біосфери. Головною геохімічною особливістю живої речовини є те, що вона пропускаючи через себе атоми хімічних елементів земної кори, гідросфери та атмосфери, здійснює у процесі життєдіяльності їх закономірну диференціацію. Завершуючи свій життєвий цикл, організми повертають природі все, що взяли у неї протягом життя.

Розрізняють два типи біогенної міграції, перший з них здійснюється мікроорганізмами, а другий – багатоклітинними організмами. Величина міграції першого типу переважає над другим. Людство оволоділо міграцією третього типу, яка іде під впливом його діяльності.

Крім того, розрізняють великий (геологічний) та малий (біологічний) кругообіг і кругообіги різних природних ресурсів (ресурсні цикли).

Великий (геологічний) кругообіг. Вивержені глибинні породи мантійного походження (базальти) тектонічними процесами виводяться з надр Землі в біосферу. Під впливом сонячної енергії й живої речовини вони вивітрюються, переносяться, відкладаються, перетворюючись різноманітні осадові породи, де запасається сонячна енергія (з вивержених мінералів утворюються глини, а вулканічні гази переходять у вугілля та нафту).

Потім за рахунок тектонічних рухів осадові породи потрапляють у зони високих тисків та температур (а також радіоактивного розпаду й гравітаційної диференціації) і перетворюються в гранітні породи з більш високим рівнем енергії, ніж у осадових порід. Кристалізовані вивержені породи знову за рахунок висхідних тектонічних рухів потрапляють у біосферу. Таким чином цикл завершується, але вже на новому рівні, бо з вихідних базальтів утворилися вивержені породи гранітного складу.

Малий біологічний кругообіг (трансформація) речовин в біосфері. В кожній екосистемі кругообіг речовин відбувається в результаті взаємодії автотрофів та гетеротрофів.

Вуглець, водень, кисень, азот, сірка і фосфор та біля 30 простих речовин, що необхідні для утворення живої речовини, безперервно перетворюються в органічні речовини або поглинаються в вигляді неорганічних компонентів автотрофами, а автотрофи використовуються гетеротрофами (спочатку консументами, а потім деструкторами). таким чином, біогенні елементи безперервно циркулюють: розчиняються в континентальних водах, виносяться в моря або потрапляють в атмосферу, а між цими середовищами відбувається постійний газообмін, тобто відбувається біологічний кругообіг атомів. Суть кругообігу в тому, що утворення живої речовини і розклад органічної речовини – два боки єдиного процесу.

В процесі біологічного кругообігу атоми поглинаються живою речовиною і заряджаються енергією, а потім залишають живу речовину, віддаючи енергію в оточуюче середовище. За рахунок біогенної енергії відбувається більшість хімічних реакцій. Біологічні кругообіги можуть бути різних масштабів і різної тривалості – від швидкого кругообігу в ґрунті, річці, озері до тривалого, який обіймає всю біосферу.

Біологічний кругообіг зворотний не повністю, частина речовин постійно виходить з кругообігу і осідає в товщині осадочних порід у вигляді органогенних вапняків, гумусу, торфу і т. п. В результаті кругообігу біосфера (чи інша екосистема) не повертається в початковий стан: для біосфери характерний поступальний рух, тому емблемою біологічного циклу є не коло, а циклоїд (спіраль).

Отже, кругообіг речовин у природі спрямовується спільною дією як біологічних, так і геохімічних та геофізичних сил.

Вплив антропогенного фактору на кругообіг. В порівнянні з тривалістю існування біосфери людина існує надзвичайно маленький час.

Людина небувало прискорила кругообіг деяких речовин – родовища заліза, цинку, свинцю інших елементів, які природа накопичувала мільйони років, швидко вичерпуються. Людина швидкими темпами використовує сонячну енергію «минулих біосфер», накопичену в вугіллі, нафті, природному газі, вона вивільняє енергію, що міститься в урані. Все це збільшує неврівноваженість біосфери. Створюючи водосховища, дістаючи воду з глибинних водоносних горизонтів, людина втручається в кругообіг води в природі.

Людині слід чітко уявити, що вони намагаються побудувати для себе та своїх нащадків, бо нічого з того, що робиться з природою, виправити неможливо.

З екологічної точки зору найважливішими є кругообіги речовин, які є основними компонентами живої речовини:

- кругообіг кисню;

- кругообіг вуглецю;

- кругообіг води;

- кругообіг азоту;

- кругообіг сірки;

- кругообіг фосфору.

Кругообіг кисню

Кисень є найбільш поширеним елементом на Землі. У морській воді міститься 85, 82% кисню, в атмосферному повітрі 23, 15% за вагою або 20, 93% за обсягом, а в земній корі 47, 2% за вагою. Така концентрація кисню в атмосфері підтримується постійною завдяки процесу фотосинтезу. У цьому процесі зелені рослини під дією сонячного світла перетворюють діоксид вуглецю і воду у вуглеводи і кисень. Головна маса кисню знаходиться в зв'язаному стані; кількість молекулярного кисню в атмосфері оцінюється в 1, 5* 10¹⁵ т, що складає всього лише 0, 01% від загального вмісту кисню в земній корі. У житті природи кисень має виняткове значення.

Кисень та його сполуки незамінні для підтримки життя. Вони грають найважливішу роль у процесах обміну речовин і дихання. Кисень входить до складу білків, жирів, вуглеводів, з яких " побудовані" організми; в людському організмі, наприклад, міститься близько 65% кисню. Більшість організмів отримують енергію, необхідну для виконання їх життєвих функцій, за рахунок окислення тих чи інших речовин за допомогою кисню. Зменшення кількості кисню в атмосфері в результаті процесів дихання, гниття й горіння відшкодовується киснем, що виділяється при фотосинтезі. Вирубка лісів, ерозія ґрунтів, різні гірські вироблення на поверхні зменшують загальну масу фотосинтезу і знижують кругообіг на значних територіях. Поряд з цим, потужним джерелом кисню є, мабуть, фотохімічне розкладання водяної пари у верхніх шарах атмосфери під впливом ультрафіолетових променів сонця. Таким чином, в природі безперервно відбувається кругообіг кисню, що підтримує сталість складу атмосферного повітря.

Крім описаного вище кругообігу кисню в незв'язаному вигляді, цей елемент робить ще і найважливіший кругообіг, входячи в склад води. Кругообіг води (H₂O) полягає в випаровуванні води з поверхні суші та моря, перенесення її повітряними масами і вітрами, конденсації парів і подальше випадання опадів у вигляді дощу, снігу, граду, туману.

Кругообіг вуглецю

Вуглець за поширеністю на Землі посідає шістнадцяте місце серед всіх елементів і становить приблизно 0, 027% маси земної кори. У незв'язаному стані він зустрічається у вигляді алмазів (найбільші родовища у Південній Африці та Бразилії) і графіту (найбільші родовища у ФРН, Шрі-Ланка і Росія). Кам'яне вугілля містить до 90% вуглецю. У зв'язаному стані вуглець входить також в різні горючі копалини, карбонатні мінерали, наприклад кальцит і доломіт, а також в склад всіх біологічних речовин. У формі діоксиду вуглецю він входить у склад земної атмосфери, в якій на його частку припадає 0, 046% маси.

Вуглець має виключне значення для живої речовини (живою речовиною в геології називають сукупність всіх організмів, що населяють Землю). З вуглецю в біосфері створюються мільйони органічних сполук. Вуглекислота з атмосфери в процесі фотосинтезу, здійснюваного зеленими рослинами, асимілюється й перетворюється в різноманітні органічні сполуки рослин. Рослинні організми, особливо нижчі мікроорганізми, морський фітопланктон, завдяки винятковій швидкості розмноження продукують у рік близько 1, 5*10¹¹т вуглецю у вигляді органічної маси. Рослини частково поїдаються тваринами (при цьому утворяться харчові ланцюги). У кінцевому рахунку, органічна маса в результаті дихання, гниття й горіння перетворюється у вуглекислий газ або відкладається у вигляді сапропелю, гумусу, торфу, які, у свою чергу, дають початок багатьом іншим сполукам – кам'яному вугіллю, нафті.

У процесах розпаду органічних речовин, їхньої мінералізації, величезну роль грають бактерії (наприклад, гнильні), а також багато грибів (наприклад, цвілеві). В активному круговороті «вуглекислий газ – жива речовина» бере участь дуже невелика частина всієї маси вуглецю. Величезна кількість вуглекислоти законсервовано у вигляді викопних вапняків та інших порід.

Між вуглекислим газом атмосфери й водою океану існує рухлива рівновага. Організми поглинають вуглекислий кальцій, створюють свої кістяки, а потім з них утворяться шари вапняків. Атмосфера поповнюється вуглекислим газом завдяки процесам розкладання органічної речовини, карбонатів і т. д. Особливо потужним джерелом є вулкани, гази яких складаються головним чином з парів води та вуглекислого газу.

Кругообіг азоту

Азот входить до складу земної атмосфери в незв'язаному вигляді у формі двоатомних молекул. Приблизно 78% всього об'єму атмосфери припадає на частку азоту. Крім того, азот входить до складу рослин і тварин організмів у формі білків. Рослини синтезують білки, використовуючи нітрати з ґрунту. Нітрати утворюються там з атмосферного азоту і амонійних сполук, наявних у ґрунті. Процес перетворення атмосферного азоту в форму, засвоюється рослинами і тваринами, називається зв'язуванням (або фіксацією) азоту.

При гнитті органічних речовин значна частина міститься в них азоту перетворюється в аміак, який під впливом живучих у ґрунті нітрифікуючих бактерій потім окислюється в азотну кислоту. Остання, вступаючи в реакцію з розташованими в ґрунті карбонатами, наприклад з карбонатом кальцію СаСО₃, утворює нітрати:

2HNО₃ + СаСО₃ = Са(NО₃)₂ + СО₂ + Н₂О.

Деяка ж частина азоту завжди виділяється при гнитті у вільному виді в атмосферу. Вільний азот виділяється також при горінні органічних речовин, при спалюванні дров, кам'яного вугілля, торфу. Крім того, існують бактерії, котрі при недостатньому доступі повітря можуть віднімати кисень від нітратів, руйнуючи їх із виділенням вільного азоту. Діяльність цих денітрифікуючих бактерій призводить до того, що частина азоту з доступної для зелених рослин форми (нітрати) переходить в недоступну (вільний азот). Таким чином, далеко не весь азот, що входив до складу загиблих рослин, повертається обернено в ґрунт; частина його поступово виділяється у вільному вигляді.

Безперервне зменшення мінеральних азотних сполук давно мусило б призвести до повного припинення життя на Землі, якби в природі не існували процеси, також відшкодовують втрати азоту. До таких процесів відносяться, перш за все, електричні розряди в атмосфері, при яких завжди утвориться деяка кількість оксидів азоту; останні з водою дають азотну кислоту, що перетворюється в ґрунті в нітрати. Іншим джерелом поповнення азотних сполук ґрунту є життєдіяльність так званих азотобактерій, здатних засвоювати атмосферний азот. Деякі з цих бактерій поселяються на коренях рослин із сімейства бобових, викликаючи утворення характерних здуть – " бульбочок", чому вони й одержали назву бульбочкових бактерій. Засвоюючи атмосферний азот, бульбочкові бактерії переробляють його в азотні сполуки, а рослини, в свою чергу, перетворюють останні у білки й інші складні речовини.

Таким чином, в природі відбувається безперервний кругообіг азоту. Проте щорічно з врожаєм з полів убираються найбільше багаті білками частини рослин, наприклад зерно. Тому в ґрунт необхідно вносити добрива, також відшкодовують збиток у ній найважливіших елементів харчування рослин. В основному використовуються нітрат кальцію Ca(NO₃)₂, нітрат амонію NH₄NO₃, нітрат натрію NаNO₃, і нітрат калію KNO₃. Наприклад, в Таїланді використовуються листя лейкаєни як органічне добриво. Лейкаєна належить до бобових рослин і, як і всі вони, містить дуже багато азоту. Тому її можна використовувати замість хімічного добрива.

Останнім часом спостерігається підвищення вмісту нітратів у питній воді, головним чином за рахунок посилення використання штучних азотних добрив в сільському господарстві. Хоча самі нітрати не так вже небезпечні для дорослих людей, в організмі людини вони можуть перетворюватися в нітрити. Крім того, нітрати та нітрити використовуються для обробки та консервування багатьох харчових продуктів, у тому числі шинки, бекону, солонини, а також деяких сортів сиру і риби. Окремі вчені вважають, що в організмі людини нітрати можуть перетворюватися в нітрозаміни: Відомо, що нітрозаміни здатні викликати онкологічні захворювання у тварин. Більшість з нас вже піддається впливу нітрозамінів, які в невеликій кількості знаходяться в забрудненому повітрі, сигаретному димі і деяких пестициди. Вважають, що нітрозаміни можуть бути причиною 70-90% випадків онкологічних захворювань, виникнення яких приписують дії факторів навколишнього середовища.

Кругообіг фосфору

Джерелом фосфору біосфери є головним чином апатит, що зустрічається у всіх магматичних породах. У перетвореннях фосфору більшу роль грає жива речовина. Організми витягають фосфор із ґрунтів, водяних розчинів. Засвоєння фосфору рослинами багато в чому залежить від кислотності ґрунту. Фосфор входить в численні сполуки в організмах: білки, нуклеїнові кислоти, кісткова тканина, лецитини, фітин та інші сполуки; особливо багато фосфору входить в склад кісток. Фосфор життєво необхідний тваринам у процесах обміну речовин для накопичення енергії. Із загибеллю організмів фосфор вертається в ґрунт і в мули морів. Він концентрується у вигляді морських фосфатних конкрецій, відкладень косток риб, що створює умови для утворення багатих фосфором порід, які в свою чергу є джерелом фосфору в біогенному циклі.

Вміст фосфору в земній корі становить 0, 08-0, 09 % її маси. У вільному стані фосфор у природі не зустрічається внаслідок його легкої окислюваності. У земній корі він знаходиться у вигляді мінералів (фторапатит, хлорапатит, вівіаніт і ін), які входять до складу природних фосфатів – апатитів і фосфоритів. Фосфор має виключне значення для життя тварин і рослин.

Так як рослини забирають з ґрунту значну кількість фосфору, а природне поповнення фосфорними сполуками ґрунту незначно, то внесення в ґрунт фосфорних добрив є одним з найважливіших заходів по підвищенню врожайності. Щорічно у світі видобувають приблизно 125 млн. т фосфатної руди. Більша її частина витрачається на виробництво фосфатних добрив.

Кругообіг сірки

Круговорот сірки також тісно пов'язаний з живою речовиною. Сірка у вигляді SO₂, SO₃, H₂S і елементарної сірки викидається вулканами в атмосферу. З іншого боку, в природі у великій кількості відомі різні сульфіди металів: заліза, свинцю, цинку та ін. Сульфідна сірка окисляється в біосфері при участі численних мікроорганізмів до сульфатної сірки ґрунтів і водойм. Сульфати поглинаються рослинами. В організмах сірка входить до складу амінокислот і білків, а в рослин, крім того, – до складу ефірних масел і т. д. Процеси руйнування залишків організмів у ґрунтах і в мулах морів супроводжуються дуже складними перетвореннями сірки. При руйнуванні білків за участю мікроорганізмів утвориться сірководень. Далі сірководень окисляється або до елементарної сірки, або до сульфатів. У цьому процесі беруть участь різноманітні мікроорганізми, що створюють численні проміжні сполуки сірки. Відомі родовища сірки біогенного походження. Сірководень може знову утворити " вторинні" сульфіди, а сульфатна сірка створює гіпс. У свою чергу, сульфіди й гіпс знову піддаються руйнуванню, і сірка відновляє свою міграцію.