Біологічні кругообіги

У ході біологічних кругообігів утворення органічних сполук, багатих на енергію, змінюється їх розкладом та мінералізацією із вивільненням енергії.

Загальна схема біологічного кругообігу така: 1) в зелених рослинах на денному світлі відбувається фотосинтез: у хлорофілових зернах розкладається вода, водень використовується на утворення органічних сполук - вуглеводнів, а кисень виділяється в атмосферу: 6 СО₂ +6Н2О+енергія =С₆ Н₁₂ О₆+ 6О_2.

Водночас із фотосинтезом у кожній рослині відбувається процес дихання. У результаті дихання рослин і тварин частина складних органічних сполук розкладається до простих мінеральних речовин (вуглекислого газу й води); 2) органічні речовини живих організмів після їх смерті розкладаються до найпростіших сполук: СО₂, води, аміаку тощо; 3) мінеральні сполуки, утворені описаним шляхом, знову поглинаються рослинами, тваринами і входять до складних органічних сполук.

Частина новоствореної органічної речовини залучається у трофічні (харчові) ланцюги. Такий ланцюг складається з послідовної низки перетворень органічної речовини і енергії, при яких одні організми є джерелом живлення інших. Організми, які синтезують необхідні їм поживні речовини із простих неорганічних сполук (автотрофи), у харчових ланцюгах є продуцентами. Фотосинтезуючі автотрофи (зелені рослини, пурпурні бактерії) використовують сонячну енергію, яка запасається в органічній речовині і потім по частинах використовується усіма складовими харчового ланцюга. Хемосинтезуючі автотрофи (деякі види бактерій) одержують енергію при окисненні та розкладанні хімічних сполук (аміаку, сірководню, піриту тощо).

Трофічні ланцюги розгалужуються і переплітаються, утворюючи складні мережі. В основному ланцюгу до кожної наступної ланки переходить невелика частка речовини та енергії, утворюючи так звані піраміди біомас і енергії. Проте не використана в основному трофічному ланцюгу речовина та енергія не зникає, не "губиться", а використовується в інших, супутніх харчових ланцюгах, що утворюються на основі продуктів життєдіяльності складових основного ланцюга. Таким чином, існує складна мережа харчових взаємин, у яких високий коефіцієнт корисної дії (к.к.д.).

У біологічних кругообігах проявляється дія загальної закономірності періодичності в тому, що кругообіги періодично повторюються. Глобальний біологічний кругообіг складається із локальних кругообігів різної тривалості. Так, ефемери в пустелях розвиваються за досить короткий час (кілька тижнів), а накопичені ними органічні речовини в умовах сухого і жаркого клімату дуже швидко розкладаються. Весь цикл займає кілька місяців. Триваліший цикл біологічного кругообігу речовин, що ввійшли до складу деревини. Залежно від тривалості життя дерев мінералізація деревини може тривати десятки, сотні чи навіть тисячі років.

Біологічні кругообіги речовини не замкнені. Наприклад, при відмиранні рослин у ґрунт повертаються не лише взяті з нього речовини, а надходять і нові, поглинуті рослиною із атмосфери. Деякі речовини надовго виходять із біологічного кругообігу, затримуючись у ґрунті у формі важкорозчинних сполук або в літосфері, перетворившись на кам’яне вугілля.

Власне, виокремлення біологічних кругообігів на Землі є достатньо умовним і штучним. Вони пов’язані з кругообігами води, повітря, мінеральних речовин і утворюють цілісний механізм у природі Землі. Біогенні кругообіги у взаємозв’язку з абіогенними утворюють біогеохімічні кругообіги (цикли), які мають замкнений характер, пронизують усі геосфери та об’єднують їх у цілісність — географічну оболонку, забезпечують існування останньої.

Пояснити цілісність географічної оболонки, зрозуміти взаємозв’язки та взаємозалежність між усім сущим на Землі, усвідомити небезпеку порушення цих зв’язків внаслідок діяльності людини можна лише на основі з’ясування сутності універсальних комплексних біогеохімічних кругообігів.

Якби відбувалося лише утворення органічної речовини, з часом атмосфера втратила б вуглекислий газ, а ґрунти — фосфор, калій та інші хімічні елементи. Внаслідок цього рослини не одержували б із ґрунту та атмосфери необхідні речовин і загинули б. Це призвело б до припинення життя на Землі. Якщо ж відбуватиметься лише руйнування органічної речовини, то вона перетвориться на вуглекислий газ, воду та інші прості неорганічні сполуки. І в першому, і в другому випадках це означало б припинення існування географічної оболонки у всьому сучасному розмаїтті її процесів та явищ.

Саме через біогеохімічні кругообіги підтримується сучасний стан кожної з геосфер, взаємозв’язки між ними, функціонує географічна оболонка. Сукупним, синтетичним результатом усієї складної різноманітності процесів біогеохімічних кругообігів у географічній оболонці є постійне продукування біомаси та утворення ґрунтів. Сучасний склад атмосфери зберігається за рахунок вказаних кругообігів. Так, постійний вміст кисню підтримується його надходженням при фотосинтезі, витратою на вивітрювання, дихання та інші окислювальні процеси. Постійний склад азоту в атмосфері забезпечується його надходженням завдяки діяльності бактерій-денітріфікаторів та вилученню азотфіксуючими бактеріями. Без цього значна частина атмосферного азоту опинилася б у зв’язаному стані в Океані та в осадових гірських породах.

Баланс вуглекислого газу в атмосфері пов’язаний із його поглинанням автотрофами в процесі фотосинтезу і подальшою консервацією в земній корі у вигляді осадових гірських порід органогенного походження. В процесі дихання живих організмів та розкладу органічних решток СО₂ повертається в атмосферу. Значна кількість СО₂ надходить в атмосферу внаслідок вулканізму.

Діяльність організмів в основному визначає газовий і сольовий склад земних вод. У воду надходять продукти життєдіяльності організмів (наприклад СО₂, О₂), продукти розкладу органічних решток (гумусові речовини, органічні кислоти, мінеральні сполуки сірки, фосфор, азоту та інших хімічних елементів). В анаеробних умовах, на дні морів і озер, у підземних водах мікроорганізми, забираючи кисень у сульфатів, нітратів, гідрооксидів заліза, марганцю, досить суттєво змінюють склад води (сірководневі води, води з метаном тощо). У результаті надходження хімічної енергії, вода стає хімічно активною, здатною розчиняти різні сполуки. Розчинна здатність води, а отже її сольовий склад, значною мірою залежить від діяльності організмів. Організми безперервно вживають і виділяють воду. Особливо інтенсивним є процес транспірації, що складає 10% вологи, що випаровується із суходолу. За рахунок процесу фотосинтезу гідросфера може обновлятися повністю за 5,5 млн. років. Це означає, що вона відновлювалася неодноразово.

За рахунок біогеохімічних кругообігів змінюється літосфера. Під дією живих організмів постійно відбувається органічне вивітрювання, утворення органогенних осадових гірських порід. Органічне походження мають більшість відкладів вапняків, кремнієвих порід (діатоміти, трепела, опоки тощо), каустобіотити, гумусові (торф, буре та кам’яне вугілля), сапропелеві (сапропелеве вугілля, горючі сланці) і нафтові бітуми (нафта, озокерит, асфальт тощо). До біогенних відносяться відклади заліза і марганцю в осадових товщах, утворені в результаті окиснення сполук заліза й марганцю.

У земній корі накопичені величезні запаси гірських порід, які в багато разів переважають живу органічну речовину. Вони надовго консервуються в земній корі, але в результаті послідовних піднять, горотворень, денудації виходять на поверхню, беруть участь як субстрат в утворенні ґрунтів. Речовини, що містяться в ґрунті, поглинаються рослинами і, таким чином, замикають біогеохімічні ланцюги навіть найтриваліших біогеохімічних кругообігів.

Основою усіх кругообігів на Землі (в тому числі і біогеохімічних) є міграція і перерозподіл хімічних елементів. У кругообігах найбільше значення мають так звані "повітряні мігранти", які можуть вступати в хімічні реакції. Це — водень, кисень, вуглець, азот. Їх атоми неодноразово "проціджуються" через живу речовину, ґрунт, гідросферу, атмосферу, тобто здійснюють швидкі кругообіги. Виключно активним є кисень (дуже сильний окислювач), тому від нього залежить міграція більшості інших елементів. Для біогеохімічних кругообігів найбільш важливими є елементи-біогени — N, K, Ca, Si, потім P, Mg, S, Fe, Al.

Розглянемо для прикладу кругообіг основного елемента живої субстанції — вуглецю. Він утворює стійкі сполуки, його атоми здатні включатися до ланцюгоподібних і колоподібних молекул складної будови. Вуглець у формі СО₂ поглинається із атмосфери або води зеленими рослинами в процесі фотосинтезу і виділяється при диханні живими організмами, а також при розкладанні їх залишків. Зелені рослини земної кулі протягом чотирьох років поглинають увесь запас вуглецю з атмосфери, а за 300 років — вільний вуглець гідросфери. Отже, на Землі мають бути процеси, що поповнювали б витрату вуглецю з атмосфери та океану. При виверженні вулканів та горотвірних процесах вуглець, законсервований в осадових гірських породах та в магмі, повертається в географічну оболонку і знову залучається в біогеохімічний кругообіг.