К. М. Ситника Допущено Міністерством освіти і науки України
|
|
Скачати 1.6 Mb.
|
|
4.8. ПРИРОДНИЙ КОЛООБІГ РЕЧОВИН У біосфері постійно здійснюється безперервний колообіг речовин, що сприяє перебігу всіх процесів життєдіяльності організмів. Нескінченна взаємодія абіотичних факторів середовища та живих організмів екосистем супроводжується безперервним обміном речовиною між біотопом і біоценозом у вигляді органічних та мінеральних сполук, які по черзі змінюють одні одних. Колообіг речовин – це повторюваний процес взаємопов’язаного перетворення, переміщення речовин у природі, який має циклічний характер і відбувається за обов’язкової участі живих організмів. Розрізняють малий, біологічний, і великий, геологічний, колообіги речовин, а також колообіги біогенних елементів. Малий, або біологічний (біотичний), колообіг відбувається в мікроекосистемах. Співіснування в кожній з таких екосистем живих організмів (продуцентів, консументів і редуцентів), пов’язаних обміном речовин, зумовлюють безперервно повторюваний колообіг основних елементів, необхідних для живої клітини (див. схему на с. 52). У кожній системі відбувається колообіг речовин, як результат взаємодії автотрофів і гетеротрофів у ланцюгу живлення. Різні види організмів споживають речовини, які необхідні їм для задоволення життєвих потреб: для підтримання процесів життєдіяльності, росту та відтворення. При цьому вони безперервно виділяють у навколишнє середовище більш або менш складні органічні та мінеральні продукти метаболізму. Органогени – вуглець, кисень, водень, азот, фосфор, сірка та ще близько 30 елементів, які необхідні для побудови простої клітини (табл. 4.1), безперервно перетворюються на органічні речовини (ліпіди, цукри і амінокислоти) або споживаються у вигляді неорганічних йонів автотрофними рослинами, а потім мікроорганізмами-деструкторами. Останні розкладають виділення, рослинні рештки та трупи на розчинні мінеральні елементи або газоподібні речовини (NН3. Н2S, СН4 та ін.). Утворені неорганічні сполуки повертаються в ґрунт, воду та атмосферу. Таким чином здійснюється безперервна циркуляція біогенних елементів. Вони розчиняються в континентальних поверхневих водах, виносяться в моря та потрапляють в атмосферу. Між ґрунтом, водою та атмосферним повітрям відбувається постійний газообмін. Таким чином здійснюється великий (геологічний) колообіг між океанами і континентами в межах усієї планети. Відповідно до закону біогенної міграції атомів, який сформулював В. І. Вернадський, міграція хімічних елементів на земній поверхні та в біосфері загалом здійснюється під переважаючим впливом живої речовини, організмів. Так відбувалося і в геологічному минулому, мільйони років тому, так відбувається і в сучасних умовах. Жива речовина або бере участь у біохімічних процесах безпосередньо, або створює відповідне, збагачене на кисень, вуглекислий газ, водень, азот, фосфор та інші речовини середовище.  З понад 90 хімічних елементів, що трапляються у природі, 30-40 необхідні живим організмам. Деякі з них (карбон, оксиген, гідроген, нітроген) потрібні у значних кількостях, інші – в малих або зовсім малих. Всі ці елементи беруть участь у біогеохімічних колообігах. Під останніми розуміють обмін хімічних елементів у вигляді органічних речовин і неорганічних сполук між живими організмами та неорганічним середовищем. Таблиця 4.1. Вміст хімічних елементів у біосфері й тілі людини
Різні стадії цього колообігу відбуваються всередині екосистем між автотрофами й гетеротрофами. На шляху між останніми елементи потрапляють до так званого резервного фонду. Резервний фонд – це велика маса в основному не пов’язаної з організмами речовини, яка повільно рухається. На відміну від резервного, обмінний фонд являє собою швидкий обмін речовиною між організмами та її безпосереднім оточенням. Розрізняють три основних типи біогеохімічних колообігів: 1) колообіг газоподібних речовин з резервним фондом в атмосфері або гідросфері; 2) осадовий цикл з резервним фондом у земній корі та 3) колообіг води. Резервний фонд в атмосфері й гідросфері більш доступний. Тому біогеохімічні колообіги, які пов’язані з цим фондом, стійкіші. Осадові цикли, в яких бере участь фосфор і залізо, менш стабільні. На них більше впливають різні місцеві зміни. Це пояснюється тим, що основна маса речовини знаходиться в малоактивному і малорухомому резервному фонді земної кори. Тому якщо надходження речовин з обмінного фонду в резервний здійснюється швидше, ніж їх вихід, то частина речовини вилучається з колообігу. Завдяки наявності в атмосфері та гідросфері резервного фонду вуглецю, азоту, кисню, сірки колообіги можуть швидко саморегулюватися. Існування біогеохімічних циклів сприяє саморегуляції всієї екосистеми та надає їй більшої стійкості. Жива речовина, завдяки якій відбувається біологічний колообіг речовин в екосистемах, характеризується високою активністю (швидким колообігом). Уся жива речовина біосфери оновлюється в середньому впродовж восьми років. Фітомаса суші поновлюється приблизно за 14 років, біомаса Світового океану – за 33 доби, а його фітомаса – щодня. Колообіг води Вода належить до основних речовин, необхідних для життя, та найпоширеніших у біосфері. В організмі людини вода становить до 73 % маси тіла, грибів – 80, а деяких медуз – 98 %. Вода в трьох агрегатних станах (рідка вода, газоподібна водяна пара і твердий лід) присутня в усіх трьох складових біосфери: атмосфері, гідросфері та літосфері. Основну роль у біогеохімічному колообігу відіграє атмосферна вода – переважно у вигляді водяної пари. Розподілена вона в атмосфері дуже нерівномірно і її розподіл залежить від географічної широти. Під дією сонячної радіації вода випаровується з поверхні Світового океану і піднімається в атмосферу. Вологе повітря піднімається вгору, де водяна пара конденсується і утворює хмари. Завдяки охолодженню хмар вода у вигляді опадів – дощу, снігу та граду або у вигляді роси, після конденсації вологи на холодній поверхні, повертається на сушу чи в океан. В океан випадає близько 80 % загальної кількості опадів. Отже, переважно колообіг води здійснюється між атмосферою та океаном. На суші вода фільтрується в ґрунт, випаровується в атмосферу та поповнює річковий стік. Вода, що потрапила в ґрунт, використовується для живлення рослин, у процесі інфільтрації надходить у водоносні горизонти та підземні ріки. З поверхні суші та зелених рослин вода виділяється в атмосферу. Коренева система рослин також сприяє надходженню ґрунтової води в атмосферу. Завдяки транспірації рослинного покриву випаровується значна кількість води. Так, культура, яка продукує 20 т біомаси з одного гектара, поглинає близько 2000 т води. На фотоліз молекули води при асиміляції її хлорофілом витрачається близько 0,15 % загальної маси води, яку поглинає рослина. Рослини виділяють води тим більше, чим краще вони забезпечуються нею. Гектар лісу випаровує від 20 до 50 т води за добу. Сумарне випаровування води рослинами та з поверхні ґрунту відіграє головну роль у колообігу води на суходолі. Водяний стік на суші поповнює її втрати внаслідок випаровування та просочування. Поверхневий стік і води підземних горизонтів забезпечують у кінцевому підсумку повернення води в гідросферу. Упродовж 2 млн років уся вода гідросфери зазнає фотолізу та повторного синтезу живими організмами. Колообіг вуглецю У колообігу вуглецю вирішальне значення відіграють СО і СО2 Це найінтенсивніший з усіх біогеохімічних циклів. Вуглець активно циркулює між неорганічним середовищем та живими організмами ланцюгами живлення. У природі він існує у вигляді карбонатів біогенного походження і переважно у вигляді оксиду карбону (IV) (викопні вуглеводні – нафта, вугілля та ін. не беруть участі в природному колообігу). Використовуючи вуглекислий газ, що міститься в атмосфері, автотрофні рослини суходолу здійснюють первинне продукування біомаси. За деякими оцінками її величина становить приблизно 164 млрд т сухої маси на рік. Існують два резервних фонди вуглецю: газоподібного в атмосфері та розчиненого у водах Світового океану. Кількість оксиду карбону (IV) в океані у 50 разів більша від загального його вмісту в атмосфері. В континентальних водах вміст карбонатної кислоти незначний. Циркуляція вуглецю в біосфері здійснюється завдяки фотосинтезу і диханню. Процеси фотосинтезу та дихання можна подати такою схемою:  де hν – енергія фотона сонячного випромінювання з довжиною хвилі 0,65-0,70 мкм, що поглинається хлорофілом. Живі організми (автотрофи й гетеротрофи) споживають енергію для здійснення хімічної та осмотичної, електричної (нервові клітини) та механічної (рух тварин) роботи, яка необхідна для їхнього росту, життєдіяльності та відтворення. Процес дихання є протилежним фотосинтезу, в результаті якого споживається кисень і виділяється вуглекислий газ. Цей процес характерний не тільки автотрофам і гетеротрофам. У кожній екосистемі органічна речовина споживається не тільки в ланцюгах живлення хижаків. Рослинні рештки, змертвілі рослини, виділення і трупи, що складають органічну субстанцію, в аеробних умовах окиснюються до повної мінералізації численними сапрофітами та ґрунтовими бактеріями. Розкладання органічних решток може відбуватися ще й шляхом ферментації в анаеробних умовах з виділенням вуглекислого газу. Повний колообіг атмосферного вуглекислого газу відбувається дуже швидко. Його повне відновлення відбувається впродовж 300 років. Загальна маса вуглецю в біосфері становить 200 ∙ 1014 т і в тисячу разів перевищує кількість вуглецю, який циркулює між живими організмами, атмосферою, гідросферою та ґрунтами літосфери. У ґрунті дуже часто вуглецевий цикл гальмується. Органічні речовини мінералізуються частково, трансформуючись у складний комплекс органічних кислот, які утворюють так званий гумус. Останній разом з глиною утворює вбирний комплекс ґрунту, який відіграє вирішальну роль у затриманні та циркуляції мінеральних солей – поживних речовин для рослин. За будь-яких умов органічна речовина повністю не мінералізується аеробним шляхом і тому накопичується в осадових породах. У результаті відбувається блокування колообігу вуглецю. Величезні поклади вугілля, нафти та інших вуглеводневих копалин і вапняків у водному середовищі є результатом блокування циклу вуглецю в далекому минулому. Незважаючи на значні розміри запасів цих копалин, у масштабах біосфери вони надзвичайно малі. До недавнього часу (до появи сучасного промислово розвиненого суспільства) колообіг вуглецю в біосфері був бездоганним. Більша частина біомаси розкладалася під час дихання живих організмів. Виділюваний вуглекислий газ повністю компенсовував кількість вуглекислого газу, що поглинався з атмосфери в процесах фотосинтезу. Останнім часом, коли людина почала використовувати запаси викопних вуглеводнів, спостерігається збільшення вмісту вуглекислого газу в атмосфері. Колообіг кисню Кисень є найпоширенішим елементом у біосфері і головною складовою живої речовини. В тілі людини міститься 62,8 % кисню і 19,4 % вуглецю. Колообіг кисню ускладнюється через його здатність утворювати численні хімічні сполуки. В результаті виникає багато епіциклів між атмосферою, літосферою та гідросферою. Атмосферний кисень і кисень, що міститься в численних поверхневих мінералах (залізні руди, осадові кальцити), мають біогенне походження. Спочатку в атмосфері Землі кисню не було. Його почали виробляти автотрофи. Фотосинтезуючі організми сприяли осадженню оксиду феруму в гідросфері, щоб позбавитися від кисню, який був побічним продуктом і токсичним відходом. Формування в атмосфері озонового екрана, здатного затримувати сонячну радіацію, відбулося за вмісту кисню в атмосфері, що становив 1 % сучасного. Це сприяло інтенсивному розвитку автотрофних еукаріотів у верхніх горизонтах води, інтенсифікувало фотосинтез і відповідно утворення кисню. Колообіг кисню відбувається в основному між атмосферою і живими організмами. Частково кисень утворюється шляхом дисоціації озону під дією сонячної радіації у верхніх шарах атмосфери. Процес продукування та виділення кисню в процесі фотосинтезу протилежний процесу його споживання гетеротрофами під час дихання. Він супроводжується руйнуванням органічних молекул, взаємодією кисню з воднем, який відщеплюється від субстрату, і утворенням води. Для повного відновлення всього атмосферного кисню потрібно 2000 років. Якщо не враховувати антропогенної діяльності, в наш час процеси фотосинтезу й дихання зрівноважені. Тому накопичення кисню в атмосфері не відбувається і його вміст залишається сталим. Кисень, фіксований літосферою у вигляді алюмосилікатів, кремнезему, карбонатів, сульфатів, оксидів феруму тощо, становить 590 ∙ 1014 т. У біосфері циркулює 39 ∙ 1014т О2 у вигляді газу чи сульфатів, розчинених в океанічних і континентальних водах. |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Схожі:
| Допущено Міністерством освіти України Ф 59 Фінанси підприємств: Підручник / За ред професора А. М. Поддєрьогіна. — К.: КНЕУ, 1998. — 368 с |
Підручник Рекомендовано Міністерством освіти і науки України Рекомендовано Міністерством освіти і науки України (лист №14/18. 2-590 від 21 березня 2003року) |
| Навчальних програм, підручників та навчально-методичних посібників,... Міністерством освіти і науки України з природознавства та хімії для використання в основній і старшій школі у загальноосвітніх навчальних... |
А. М. Колодія Рекомендовано Міністерством освіти і науки України За редакцією \В. В. Копєйчикова\ А. М. Колодія Рекомендовано Міністерством освіти і науки України |
| М. Тодики доктора юридичних і політичних наук, професора В. С. Журавського... Затверджено Міністерством освіти і науки України як підручник для студентів вищих навчальних закладів |
ПЕРЕЛІК програм та навчально-методичної літератури з проблем виховання,... Міністерство освіти і науки Автономної Республіки Крим, управління освіти і науки обласних, Київської та Севастопольської міських... |
| ПЕРЕЛІК програм, підручників та навчально-методичних посібників,... Міністерством освіти і науки України для використання у загальноосвітніх навчальних закладах з навчанням українською мовою |
Навчальний посібник для студентів вищих навчальних закладів Рекомендовано... Рекомендовано Міністерством освіти і науки України як навчальний посібник для студентів вищих навчальних закладів |
| ПЕРЕЛІК програм, підручників та навчальних посібників, рекомендованих... Міністерство освіти і науки Автономної Республіки Крим, управління освіти і науки обласних, Київської та Севастопольської міських... |
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ НАКА З «Деякі питання запровадження зовнішнього незалежного оцінювання та моніторингу якості освіти», наказу Міністерства освіти і науки... |
При копіюванні матеріалу обов'язкове зазначення активного посилання © 2013
звернутися до адміністрації
bibl.com.ua
звернутися до адміністрації
bibl.com.ua