Біосфера - жива оболонка Землі

входять до нього; активна матеріально-енергетична і біогеохімічна участь живої речовини в усіх ланках кругообігу; господарська і етнокультурна діяльність людини.

Основна стратегія життя біосферного рівня - прагнення забезпечити динамічну стійкість біосфери як найбільшої екосистеми на планеті Земля.

Різноманіття форм і рівнів організації життя виявляється не тільки в їх різному складі, будові і функціональних зв'язках. Головна відмінність між рівнями організації живої матерії полягає в їх основних стратегічних властивостях. У них відбивається, з одного боку, принципова відмінність істотних якостей окремих рівнів, з іншого - глибоке взаємопроникнення структурних рівнів.

 

2 Біологічний кругообіг речовин і енергії в біосфері

Пізнання екосистем полягає, перш за все, у дослідженні великих біогеохімічних циклів (кругообігів). Мова йде про циркуляцію хімічних елементів абіотичного походження, які потрапляють із навколишнього середовища в живі організми і з організмів у навколишнє середовище. Неорганічні елементи вносяться в тканини рослин і тварин у процесі їх росту і розвитку і там входять до складу органічних речовин. Після смерті організму ці елементи зазнають складних перетворень, після чого потрапляють у нові організми.

В.І. Вернадський зазначав, що біогенна міграція атомів зумовлюється трьома різними процесами життя:

1) метаболізмом живого організму - його диханням, живленням, різними відходами;

2) ростом організмів;

3) розмноженням, збільшенням кількості організмів.

Усі три процеси взаємопов'язані, проте кожен із них вносить у біосферу різний для кожного виду організмів запас геохімічної енергії.

Розрізняють біогенні міграції атомів: 1-го роду - для мікроорганізмів і 2-го роду - для багатоклітинних організмів. Біогенна міграція одноклітинних незрівнянно більша за міграцію атомів багатоклітинних організмів. Із появою людини на Землі виникла міграція атомів 3-го роду, яка відбувається внаслідок її діяльності.

До головних циклів, що мають місце в біогеоценозах (екосистемах), відносять біогеохімічні цикли кисню, вуглецю, води, азоту, фосфору, сірки, біогенних катіонів. Розглянемо детальніше ці цикли.

 

2.1 Генезис і кругообіг кисню

Приблизно четверта частина атомів усієї живої матерії припадає на частку кисню. Він не завжди входив до складу живої атмосфери. Кисень з'явився одночасно з першими хлорофіловими організмами. По мірі утворення під дією ультрафіолетової радіації кисень трансформувався в озон. Шар озону швидко став достатнім, щоб хлорофілові організми (головним чином, фітопланктон) могли рости і вивільнювати кисень.

На наявність кисню на земній поверхні вже приблизно два мільярди років тому вказує присутність залізистих окислів у відповідних геологічних відкладеннях. Але лише в останні двадцять мільйонів років вміст його в атмосфері Землі досяг приблизно 20%.

Вільний кисень у великих кількостях поглинається при диханні, використовується для підтримання горіння та застосовується в різних технологічних процесах. Вільний кисень регенерується в процесі фотосинтезу зелених рослин. Джерелом кисню є вода і вуглекислий газ, його утворення відбувається за допомогою сонячної енергії.Існує відносна рівновага між киснем, що утворюється, і киснем, який витрачається для забезпечення життєдіяльності і виробництва.

Кругообіг кисню показаний на рис. 2.

Рис. 2. Кругообіг кисню в біосфері

2.2 Кругообіг вуглецю

Джерела вуглецю в природі численні й різноманітні. Між тим, тільки вуглекислота, яка знаходиться в газоподібному стані та у воді, є тим джерелом, яке служить основою для переробки вуглецю в органічну речовину живих істот. Захоплена рослинами вуглекислота в процесі фотосинтезу перетворюється на вуглеводи. Під час інших процесів біосинтезу вона перетворюється на протеїни, ліпіди і т.д.

З іншого боку, всі організми дихають і виділяють в атмосферу вуглець у формі вуглекислоти. Коли ж настає смерть, то сапрофаги і редуценти розкладають і мінералізують трупи, утворюючи ланцюги живлення, у кінці яких вуглець знову надходить у кругообіг у формі вуглекислоти (рис. 3). Мертві рослинні і тваринні залишки, що накопичуються, сповільнюють кругообіг вуглецю. Тварини-сапрофаги і сапрофагічні мікроорганізми, які живуть у ґрунті, перетворюють накопичені на його поверхні залишки в нове утворення органічної матерії - гумус. Швидкість впливу організмів на гумус зовсім не однакова. Іноді ланцюг буває коротким і неповним: ланцюг сапрофагів позбавляється можливості функціонувати через нестачу кисню або внаслідок дуже високої кислотності; органічні залишки накопичуються у формі торфу і утворюють торф'яні болота. Тут призупинюється кругообіг вуглецю. Скупчення викопних органічних сполук у вигляді кам'яного вугілля і нафти свідчить про те саме, оскільки вуглекислота накопичується у вигляді карбонату кальцію (крейда, вапняки) хімічного чи біогенного походження. Часто ці маси вуглецю залишалися поза кругообігом упродовж цілих геологічних періодів, поки карбонат кальцію у вигляді гірських хребтів не піднімався над поверхнею моря. З цього моменту починалося надходження вуглецю і кальцію в кругообіг. Воно здійснювалося внаслідок вилужування вапняку атмосферними опадами чи під впливом лишайників, а також коренів квіткових рослин. Вуглець, який накопичився в ґрунті чи гірських породах, може бути звільнений і в процесі горіння, викликаного людською діяльністю — опалення, промисловість та ін.

Кругообіг вуглецю показаний на рис. 3.

Рис. 3. Кругообіг вуглецю в біосфері

 

2.3 Кругообіг азоту

Повітря містить більше 80% азоту, воно безперервно і в різних формах забезпечує його кругообіг. Електричні розряди, які супроводжують грози, синтезують (з атмосферного азоту і кисню) окисли азоту; ці окисли потрапляють у ґрунт разом з дощовою водою. Таким шляхом в екосистемі у формі селітри чи азотної кислоти накопичується від 4 до 10 кг азоту на 1 га за рік. Відбувається і фотохімічна фіксація азоту. Але найбільша кількість цього елементу надходить в екосистему в результаті діяльності мікроорганізмів - азотфіксаторів, які здатні використовувати енергію свого дихання для прямого засвоєння атмосферного азоту і синтезування протеїдів. Таким чином у ґрунт вноситься ще близько 25 кг азоту на 1 га. Найбільш ефективними в цьому відношенні є азотфіксуючі бактерії, які живуть у симбіозі з бобовими рослинами в бульбочках на коренях цих рослин.

Азот із різноманітних джерел надходить до коренів у формі нітратів, які абсорбуються і транспортуються в листя, де використовуються для синтезування протеїнів. Ці протеїни є основою азотного живлення тварин. Протеїни рослинного і тваринного походження також є продуктом харчування й різних мікроорганізмів. Трупи організмів розкладаються редуцентами. Кожна група редуцентів спеціалізується на якійсь одній ланці цього процесу. Ланцюг закінчується діяльністю амоніфікуючих організмів, що утворюють аміак, який далі може ввійти в цикл нітрифікації - одні бактерії його окислюють у нітрити, а інші -нітрити в нітрати.

З іншого боку, бактерії-денітрифікатори постійно віддають азот в атмосферу: вони розкладають нітрати до азоту. Але вони активні лише в ґрунтах, які багаті азотом і вуглецем, і розкладають щонайбільше 20% загального азоту (щорічно в атмосферу його надходить до 50-60 кг з 1 га).

Азот може вийти з кругообігу, якщо досягне океану, де він акумулюється в глибоководних відкладеннях. Перш ніж азот потрапляє в абісальні відкладення, частина його захоплюється організмами морського фітопланктону, після чого він, як і фосфор, входить у цикл живлення м'ясоїдних, який закінчується рибами, що є кормом для птахів і ссавців. Ця частина азоту потрапляє з їхніми екскрементами на поверхню материка.

Втрати азоту, який залишається в абісальних відкладеннях, компенсуються азотом із вулканічних газів.

Кругообіг азоту показаний на рис. 4.

Рис. 4. Кругообіг азоту в біосфері

2.4 Кругообіг води

 

Вода не тільки джерело кисню, але й найбільш значна складова частина тіла живих організмів.

Великий кругообіг води на поверхні земної кулі добре відомий - випаровування, створюване сонячною енергією, дає атмосферну воду. Ця вода конденсується у формі хмар. Охолодження хмар викликає опади, які поглинаються ґрунтом або стікають по його поверхні. Таким шляхом вода повертається в моря і океани. У межах екосистем можна виділити такі фази кругообігу води: перехоплення, евакотранспірацію, інфільтрацію і стікання.

Рослинність виконує важливу екрануючу функцію, перехоплюючи частину опадів до того, як волога досягне ґрунту, і випаровуючи її в атмосферу. Це перехоплення, яке буває максимальним при слабких дощах, може в помірних широтах сягати до 25% від загальної суми опадів. Вода, яка проникає крізь крони у формі крапель з листя, або стікає по стеблах і стовбурах, сягає ґрунту, просочується в нього, або приєднується до поверхневого стоку. Частина інфільтраційної води затримується в ґрунті, причому тим сильніше, чим значнішим є ґрунтовий колоїдальний комплекс. Та частина води, яка промиває ґрунт на глибину 20-30 см, може знову піднятися на його поверхню по капілярах і випаруватися. Корені рослин здатні всмоктувати ґрунтову воду зі значно більшої глибини, ніж 20-30 см; ця вода доставляється в листя і транспортується в атмосферу.

Евакотранспірацією називають віддавання екосистемою води в атмосферу; вона включає і фізично випаровувану воду, і воду, яка біологічно транспірується.

Кількість води, що транспірується рослинами, є досить великою. Одна береза випаровує за день 75 л води, бук - 100 л, липа -200 л, а 1 га лісу - від 20 до 50 тис. л. Транспірація посилюється з покращанням водопостачання. Пшениця за період вегетації використовує з 1 га 3 750 т води, що відповідає 375 мм опадів, а продукує 12,5 тонн (сухої маси) рослинної речовини.

Величина евакотранспірації, яка складається з сумарної кількості води, що транспортується рослинами і випаровується ґрунтом, для Середньої Європи становить приблизно 1 тис. тонн на 1 га за рік.

Рослинність адаптується до місцевого кругообігу води. Якщо кількість дощової води, яка просочується в ґрунт, перевищує його максимальну вологоємкість, то вона досягає рівня ґрунтових вод. Об'єм води, що просочується, пропорційний вологості клімату і водопроникненості ґрунту, тобто збільшується в більш легких піщаних ґрунтах і зменшується в ґрунті, який сильно переплетений коренями рослин з підвищеною транспіраційною здатністю. Просочування атмосферних опадів до рівня ґрунтових вод сприяє видужуванню біогенних елементів і колоїдів ґрунту. Втрати, викликані поверхневим стоком, підвищуються при збільшенні крутизни схилу і при зменшенні щільності рослинного покриву.

Кругообіг води показаний на рис. 5.

Відмінність циклів вуглецю і азоту від кругообігу води полягає в тому, що зазначені елементи в екосистемі накопичуються і зв'язуються, вода ж проходить через неї майже без втрат. Крім того, екосистема на формування біомаси щорічно використовує лише близько 1% води, яка випадає у вигляді атмосферних опадів.

Рис. 5. Кругообіг води в біосфері

 

2.5 Кругообіг фосфору

Кругообіг фосфору являє собою дуже простий незамкнений цикл. Фосфор здійснює кругообіг у наземних екосистемах як важлива і необхідна складова частина цитоплазми клітини. Редуценти мінералізують органічні сполуки фосфору з відмерлих організмів у фосфати, які знову споживаються коренями рослин. Величезні запаси фосфору, накопичені за минулі геологічні епохи, містять гірські породи. У процесі руйнування ці породи віддають фосфати наземним екосистемам, але значні кількості фосфатів виявляються залученими в кругообіг води, вилужуються і потрапляють у море. Тут вони збагачують солоні води, живлять фітопланктон і організми, які пов'язані з ними харчовими ланцюгами. Частина фосфатів використовується морськими екосистемами, інша частина накопичується в океанічних відкладеннях. Часткове повернення фосфатів на землю забезпечують морські птахи.

Кругообіг фосфору показаний на рис. 6.

Рис. 6. Кругообіг фосфору в біосфері

Вважається, що кожного року повертається в кругообіг 60 тис. т фосфору, що зовсім не компенсує тих 2 млн. т фосфатів, які щорічно добуваються з покладів і швидко вилужуються при використанні у вигляді добрив.

2.6 Кругообіг сірки

 

Сірка, яка знаходиться в ґрунті, є продуктом розкладання материнських гірських порід, що містять пірити і халькопірити, а також продукт розкладання органічних речовин рослинного походження. Органічні речовини тваринного походження містять мало сірки. Корені адсорбують ґрунтову сірку, яка входить у створювані рослиною сірчані амінокислоти (цистин, цистеїн, метіонін).

Після відмирання рослин сірка повертається в ґрунт. Це здійснюється численними організмами. Деякі з них відновлюють сірку органічних сполук у сірководень і сірку, а інші організми окисляють ці продукти в сульфати, які поглинаються коренями рослин. Таким чином підтримується кругообіг сірки в природі. Крім сірки органічного походження, рослини можуть вводити в цикл значну кількість сірки, яка переноситься повітряними масами і дощовою водою з промислових районів (дими). Це джерело забезпечує від 2,7 до 260 кг сірки на 1 га за рік.

2.7 Перетворення енергії в біосфері

 

З кругообігом речовин тісно пов'язане перетворення енергії в біосфері. Як було вже згадано, первинним джерелом енергії будь-якої екосистеми є Сонце. Кількість сонячної енергії, яка досягає поверхні Землі, у районах з помірним або помірно жарким кліматом дорівнює в середньому 10 млрд. ккал на 1 га за рік. Але лише 1% сонячної енергії, що надходить на поверхню Землі, використовується рослинами на фотосинтез, тобто на створення органічних речовин. Із цієї відносно невеликої кількості значна частина енергії (більше 50%) йде на процеси життєдіяльності рослин (дихання та ін.) і неминуче розсіюється.

Відповідно через екосистеми проходить безперервний потік енергії, який, на відміну від кругообігу речовин, не є замкненим.

Кількість розсіюваної енергії може дорівнювати отримуваній, і тоді система існує з нульовим балансом. Але звичайно частина її накопичується у вигляді приросту біомаси або відкладень органічних решток у ґрунті чи на дні водойм.

Визначено, що при переході від однієї ланки харчового ланцюга до іншої розсіюється до 90% енергії, яка міститься в біомасі тих чи інших організмів. Наприклад, трофічний ланцюг водної системи може бути представлений так: фітопланктон (мікроскопічні водорості) → зоопланктон (дрібні рачки) → молодь риб → дорослі хижі риби (наприклад, окунь). Відповідно, для отримання 1 кг окунів має бути витрачено приблизно 10 кг риб'ячої молоді, 100 кг зоопланктону чи 1000 кг фітопланктону. Тому з цього можна зробити важливий практичний висновок -економічно більш вигідно використовувати господарсько цінні види, які мають короткі трофічні ланцюги.

Графічно трансформацію енергії на кожному рівні зображують у вигляді пірамід енергії.

Таким чином, основа біосфери - кругообіг органічної речовини, який здійснюється за участі всіх організмів, що населяють біосферу.

У закономірностях біологічного кругообігу полягає основа тривалого існування і розвитку життя. Запаси доступних мінеральних елементів, необхідних для здійснення життєвих функцій, не можуть бути безкінечними. Коли б вони тільки споживалися, то життя б рано чи пізно припинилося.

Зелені рослини створюють органічну речовину, незелені рослини і тварини руйнують її. З мінеральних сполук, отриманих від розпаду органічної речовини, нові зелені рослини будують нову органічну речовину, і так без кінця. З цієї точки зору, кожний вид організмів є важливою ланкою в кругових процесах елементів, у міграціях атомів. Використовуючи як засоби існування тіла чи продукти розпаду одних організмів, кожний вид повинен віддавати в середовище те, що можуть використовувати інші.

Особливо велика роль у кругообігу речовин належить мікроорганізмам. Мінералізуючи органічні рештки тварин і рослин, мікроорганізми перетворюють їх у мінеральні солі і найпростіші органічні сполуки типу біогенних стимуляторів, які знову використовуються зеленими рослинами при синтезі нової органічної речовини.

Один із головних парадоксів життя полягає в тому, що його безперервність забезпечується процесами розпаду, деструкцією.

Руйнуються складні органічні сполуки, вивільнюється енергія, втрачається запас інформації, який властивий живим