Кругообіг речовини в прроді

 

Кругообіг речовини. Речовина, необхідне для життя, може використовуватися багато разів. Ці процеси називаються круговоротами речовин або біогео-хімічними циклами. Енергія практично для будь-якого кругообігу постачається від Сонця. Механізми, що забезпечують повернення речовин в круговорот, грунтуються головним чином на біологічних процесах.

 У кожному кругообігу зручно розрізняти дві фази: резервний - велика маса повільно рухаються речовин, в основному в небіоло-гічної сфері; обмінний - менший, але більш активний, для якого характерний швидкий обмін між організмами і оточенням.

Резервний фонд зберігається зазвичай у відносно розсіяному і рухомому вигляді, доступному більшості живих організмів, де б вони не знаходилися. Найкращим чином для цих цілей під-ходить атмосфера і гідросфера, що виконують роль своєрідних буферних зон, що з'єднують між собою різні форми життя. Менш рухомий буферною зоною є грунт. Саме з буферних зон отримують багато організми поживні речовини, ретельно відбираючи їх з усього розмаїття речовин, присутніх у резервному фонді. Продукти життєдіяльності організмів також скидаються у буферні зони, де вони потім більш-менш ретельно перемішуються: те, що є «відходами» для однієї форми життя, може послужити їжею для іншої форми життя. У першу чергу це відноситься до рослин, які не тільки отримують все, що їм потрібно з атмосфери, грунту і води (у випадку водних рослин), але і скидають туди ж тепло, вологу, продукти дихання, відмерлі листя і гілля і т.п . У меншій мірі з резервним фондом пов'язані тварини, які в основній своїй масі не здатні синтезувати біоорганіку з розсіяних компонентів резервного фонду й існують за рахунок обмінного фонду, зосередженого головним чином в живій речовині.

Внаслідок сказаного всі біогеохімічні цикли прийнято ділити на два основних типи: кругообіг газоподібних речовин із резервним фондом в атмосфері або гідросфері (океані) і осадовий цикл із резервним фондом в земній корі.

Частина речовини йде з кругообігу в поховання (насамперед у безкисневому середовищі), тобто, за словами Вернадського, «йдуть в геологію» у вигляді вугілля, торфу, нафти, осадових порід і т.п. Ми розглянемо тільки кругообіги найбільш важливих для життя речовин.

Кругообіг води .Близько третини енергії Сонця, що надходить на Землю витрачається на приведення в рух круговороту води (рис ).

Море втрачає через випаровування води більше, ніж отримує з опадами. На суші ситуація протилежна. Тобто значна частина опа-дів, підтримують екосистеми суші, приходить до нас з моря.

Однак чималий внесок у кругообіг води вносить і рослинність даної конкретної місцевості, особливо в областях, що знаходяться в глибині континенту, або ж «екранованих» від моря грядою гір. Справа в тому, що вода, що надходить у рослини з грунту, майже повністю (97... 99%) випаровується через листя. Це називається транспірації. Випаровування охолоджує листя і сприяє руху в рослинах біогенних елементів. Одночасно це підтримує локальні кругообіг води (згадайте грибні дощі), що дозволяють рослинному світу успішно існувати, навіть якщо «дощі з моря» досить рідкісні.

У результаті діяльності людини кількість лісів на континентах катастрофічно зменшується.  Правда, ліс не обов'язково втрачає

 

 

 

Рис            Кругообіг води в природі

 

.

більше вологи в результаті транспірації, ніж трав'яниста рослинність. Проблема в тому, що ліси сприяють утриманню вологи на даній території. Для агроценозів, що прийшли на зміну лісам, характерно ущільнення і ерозія грунтів і збільшення стоку води. Це призвело навіть до того, що в деяких областях з достатньою кількістю опадів виникли місцеві пустелі. Особливо великі втрати для грунтових вод в сильно урбанізованих районах, де великий відсоток водонепроникних покриттів. Все це порушує локальні кругообіг води, приводячи до засух і одночасно до повеней в низов'ях рік в періоди дощів, принесених з моря.

Кругообіг вуглецю .Вуглець є одним з найнеобхідніших для життя компонент. До складу органічної речовини він включається в процесі фотосинтезу (рис.7.1). 

Потім основна його маса надходить у харчові ланцюги тварин і накопичується в їхніх тілах у вигляді різного роду вуглеводів.

Головну роль в круговороті вуглецю відіграє атмосферний і гідросферних фонди вуглекислого газу. Цей фонд поповнюється при диханні рослин і тварин, а також при розкладанні мертвої органіки. Деяка частина вуглецю вилучається з кругообігу і переходить в поклади,. які інтенсивно розробляються, повертаючи в кругообіг вуглець та інші важливі для життя елементи, накопичені за мільйони років. Це призводить до ряду негативних для нас наслідків.

Збільшення вмістуСО₂ і зниження вмісту в атмосфері О₂ призводить до посилення фотосинтезу і глобальних змін в біотопі.

 

 

 

Рис       Кругоо

 

 

Рис Кругообіг вуглецю в природі

 

Кругообіг фосфору. Фосфор є необхідним компонентом нуклеїнових кислот (РНК і ДНК), що виконують в біосистемах функції, пов'язані із записом, зберіга-нням і читанням інформації про будову організму. Фосфор - досить рідкісний елемент. Відносна кількість фосфору, потрібного живим організмам, набагато вище, ніж відносний вміст його в тих джерелах, звідки організми черпають необхідні їм елементи. Тобто дефіцит фосфору більшою мірою обмежує продуктивність в тому чи іншому районі, ніж дефіцит будь-якого іншого речовини, за винятком води.

Фосфор зустрічається лише в небагатьох хімічних сполуках. Він циркулює, переходячи з органіки в фосфати, які можуть потім використовуватися рослинами (Рис.7.3).

Особливість кругообігу фосфору в тому, що в ньому відсут-ня газоподібна фаза. Тобто основним резервуаром фосфору є не атмосфера, а гірські породи і інші відкладення, що утворилися в минулі епохи. Породи ці піддаються ерозії, вивільняючи фосфати в екосистеми. Після неодноразового споживання його

 

 

Рис Кругообіг фосфору

 

організмами суші та моря фосфор в кінцевому підсумку виводиться у донні осади. Це загрожує дефіци-том фосфору. У минулому морські птахи, мабуть, повертали фосфор в кругообіг. Нині основним постачальником фосфору є людина, виловлюючи велику кількість морської риби, а також перероблюючи донні відкладення в фосфати. Однак видобуток і переробка фосфатів створює серйозні проблеми з забрудненням навколишнього середовища.

Кругообіг сірки.Найбільшу роль в кругообігу виконують бактерії. Крі мфотосинтезу деякі бактерії, використовуючи енергію

 

 

 

Рис Спрощена схема кугообігу сірки

хімічних екзотермічних реакцій окислення (хемосинтез), синтезують органічні речовини. Так під дією особливого виду бактерій (серобактрії) йде окислювання Н₂S до S:

Cірка відкладається в «тіла» серобактерий, складаючи до 95% їх загальної маси, тим самим усуваючи шкідливу дію Н₂S

на рослини і тварин. Це неповний процес окислювання сірки, він йде і далі до Н₂SО₄ під дією О₂ повітря, а також пурпурних бактерій.

Сірка окислюється на повітрі, а також в організмах серобак-терій, якщо вони будуть позбавлені сірководневого середовища

Велика частина сульфатів виноситься водами річок, а також під дією опадів і вивітрювання мінералів, у моря, частково розчиняючись в океанічних водах, а часткоо відкладаючись на дні у вигляді нашарувань і утворюючи мінерали, особливо природного гіпсу СаSО₄ × 2Н₂О, переміщаючись в глибини літосфери , а потім через роки - на поверхню і т.д.

Потрапляючи в глибокі шари літосфери, той же СаSО₄, зазнавав відновлювальний процесів з участю органічних речовин.

Таким чином, виникають сірководневі («сірчані») джерела (наприклад, Мацеста, П'ятигорськ). Але існують і інші бактерії, що харчуються за рахунок сульфатів. Так, на глибині нижче 150 м, наприклад, у Чорному морі, сульфати під дією цих бак-терій відновлюються до сірководню, який, піднімаючись вгору, знову піддається дії се-робактерій, окислюється до SО₂ -, а частина Н₂S йде в атмосферу. Джерела Н₂S є також болота, вул-канічна діяльність, прирідні процеси гниття відмерлих живих організмів.

При виверженні вулканів виділяється Н₂S і SО₂, кон-центрації яких можуть бути різними, тоді можливе про-тікання реакції з утворенням сірки.

При надлишку Н₂S, що виділяється, сірка захищена від окис-лення і тому може утворювати на певній глибині в товщі літосфери - пласти S або вкраплення.

Крім того, на великих глибинах формуються горючі природні копалини (той же вугілля, і вуглеводні, що містять сірку), відкладаються сланці та інші осадові породи, що містять сірку.

При видобутку цих копалин,  при їх спалюванні чи хімічній переробці, а також їх природному розкладанні в атмосферу викидаються SО₂ та Н₂S, які окислюються до Н₂SО₄ і, поряд із природними джерелами, потім випадають на землю у вигляді опадів - кислотних дощів. І так, коло замикається. Особливо через діяльність людини, а також із-за окислювальної здатності повітря в наш час кругообіг здійснюється із збільшенням вмісту сульфатів.

Залишився неврахованим процес споживання сірки рослинами, з урахуванням якого кругообіг сірки можна надати у спрощеному вигляді (рис. 2.9).

Переробка сульфатів рослинами, в тому числі і з використанням бактерій, дуже складний процес, що призводить до синтезу рослинами сірковмісних білкових речовин.

Тварини, що харчуються рослинами, також шляхом біохімічних процесів синтезують сірковмісні речовини, характерних для своїх організмів. При відмирання тварин і рослин, їх білкові речовини розкладаються до Н₂S і деяких інших сірковмісних продуктів, і  включаються в кругообіг сірки.

Кругообіг азоту.Азот входить до складу амінокислот, які є основним будівельним матеріалом для білків. Хоча азот потрібно в менших кількостях, ніж, наприклад, вуглець, тим не менш дефіцит азоту негативно позна-чається на продуктивності живих організмів.

Основним джерелом азоту є атмосфера (рис.7.2), звідки у грунт, а

потім у рослини азот потрапляє тільки у формі нітратів, які є результатом діяльності організмів азотофіксаторів (окремі види бактерій, синьо-зелених водоростей і грибів), а також електричних розрядів (блискавок) та інших фізичних процесів. Інші з'єднання азоту не засвоюються рослинами. Друге джерело азоту для рослин - результат розкладання органіки, зокрема, білків. При цьому на початку утворюється аміак, який перетворюється бактеріями-нитрификаторов у нітрити та нітрати.

Повернення азоту в атмосферу відбувається в результаті діяль-ності бактерій-денітрифікатори, що розкладають нітрати до вільного азоту і кисню.

Значна частина азоту, потрапляючи в океан (в основному зі стічними континентальними водами), частково використовується водною рослинністю, а потім по харчових ланцюгах через тварин поверта-ється на сушу. Невелика частина азоту випадає з кругообігу, йдучи в осадові з'єднання. Проте ця втрата компенсується надходженням азоту в повітря з вулканічними газами, а також з індустрі-альними викидами. Якщо б наша цивілізація досягла такої технічної потужності, що змогла б блокувати всі вулкани на Землі (я не сумні-ваюся, що подібні проекти обов'язково виникли б), то при цьому з-за азоту та інших речовин, від голоду могло б загинути більше людей, ніж страждає зараз від вивержень вулканів.

 

 

Рис          Основні біохімічні етапи круговороту азоту

 

Антропогенний азот надходить в природу в основному у формі азотних добрив. Їх кількість приблизно дорівнює природного фікса-ції азоту в атмосфері, але нижче біологічної фіксації.

У природних екосистемах близько 20% азоту - це новий азот, отриманий з атмосфери шляхом азотофіксації. Інші 80% повертаються в круговорот внаслідок розкладання органіки. У агросистемах з азоту, що надійшов на поля з добривами, дуже невелика частина викори-стовується повторно, більша ж частина втрачається з зібраних урожа-єм, а також в результаті  вилуговування (виносу водою) і денітрифі-кації.

Лише прокаріоти, без'ядерні, найпримітивніші мікроорганізми можуть перетворювати біологічно даремний газоподібний азот у форми, необхідні для побудови і підтримки живої протоплазми. Коли ці мікроорганізми утворюють взаємовигідні асоціації з вищими рослинами, фіксація азоту значно посилюється. Рослини представляють бактеріям підходяще місце проживання (кореневі бульби), захищають мікроби від надлишків кисню і поставляють їм необхідну високоякісну енергію. За це рослина отримує легкозасвоюваний фіксований азот ту та інших речовин, від голоду могло б загинути більше людей, ніж страждає зараз від вивержень вулканів.

та інших речовин, від голоду могло б загинути більше людей, ніж страждає зараз від вивержень вулканів.

⇐ Предыдущая234567891011Следующая ⇒

Поделиться: