Кругообіг біологічний малий. Малий (біологічний) кругообіг

Всі речовини на нашій планеті знаходяться в процесі колообігу. Сонячна енергія викликає на Землі два круговороти речовин:

1) Великий (геологічний чи абіотичний);

2) Малий (біотичний, біогенний чи біологічний).

Кругообіги речовин і потоки космічної енергії створюють стійкість біосфери. Кругообіг твердої речовини та води, що відбувається в результаті дії абіотичних факторів (неживої природи), називають великим геологічним кругообігом.При великому геологічному кругообігу (протікає мільйони років) гірські породи руйнуються, вивітрюються, речовини розчиняються і потрапляють у Світовий океан; протікають геотектонічні зміни, опускання материків, підняття морського дна. Час кругообігу води у льодовиках 8 000 років, у річках – 11 днів. Саме великий кругообіг постачає живим організмам елементи живлення та багато в чому визначає умови їхнього існування.

Великий, геологічний кругообігу біосфері характеризується двома важливими моментами:

а) здійснюється протягом усього геологічного розвитку Землі;

б) є ​​сучасним планетарним процесом, що бере провідну участь у подальшому розвитку біосфери.

На сучасному етапі розвитку людства в результаті великого кругообігу на великі відстані переносяться також забруднюючі речовини - оксиди сірки та азоту, пил, радіоактивні домішки. Найбільше забруднення зазнали території помірних широт Північної півкулі.

Малий, біогенний або біологічний кругообіг речовин відбувається у твердій, рідкій та газоподібних фазах за участю живих організмів.Біологічний кругообіг на противагу геологічному вимагає менших витрат енергії. Малий кругообіг є частиною великого, що відбувається на рівні біогеоценозів (всередині екосистем) і полягає в тому, що поживні речовини ґрунту, вода, вуглець акумулюються в речовині рослин, витрачаються на побудову тіла. Продукти розпаду органічної речовини розкладаються до мінеральних компонентів. Малий кругообіг незамкнутийщо пов'язано з надходженням речовин та енергії в екосистему ззовні та з виходом частини їх у біосферний кругообіг.

У великому та малому кругообігах бере участь безліч хімічних елементів та їх сполук, але найважливішими з них є ті, які визначають сучасний етап розвитку біосфери, пов'язаний з господарською діяльністю людини. До них належать круговороти вуглецю, сірки та азоту(їх оксиди - найголовніші забруднювачі атмосфери), а також фосфору (фосфати - головний забруднювач материкових вод). Практично всі забруднюючі речовини виступають як шкідливі і їх відносять до групи ксенобіотиків.

В даний час велике значення мають кругообіги ксенобіотиків - токсичних елементів - ртуті (забруднювач харчових продуктів) та свинцю (компонент бензину). Крім того, з великого круговороту до малого надходять багато речовин антропогенного походження (ДДТ, пестициди, радіонукліди та ін.), які завдають шкоди біоті та здоров'ю людини.

Суть біологічного круговороту полягає у перебігу двох протилежних, але взаємопов'язаних процесів. творенняорганічної речовини та її руйнуванняживою речовиною.

На відміну від великого круговороту малий має різну тривалість: розрізняють сезонні, річні, багаторічні та вікові малі круговороти.

Кругообіг хімічних речовин з неорганічного середовища через рослинність і тварин назад в неорганічне середовище з використанням сонячної енергії хімічних реакцій називається біогеохімічним циклом .

Сьогодення та майбутнє нашої планети залежить від участі живих організмів у функціонуванні біосфери. У кругообігу речовин жива речовина, або біомаса, виконує біогеохімічні функції: газову, концентраційну, окислювально-відновну та біохімічну.

Біологічний кругообіг відбувається за участю живих організмів і полягає у відтворенні органічної речовини з неорганічного та розкладанні цього органічного до неорганічного за допомогою харчового трофічного ланцюга. Інтенсивність продукційних та деструкційних процесів у біологічному кругообігу залежить від кількості тепла та вологи. Наприклад, низька швидкість розкладання органічної речовини полярних районів залежить від дефіциту тепла.

Важливим показником інтенсивності біологічного кругообігу є швидкість обігу хімічних елементів. Інтенсивність характеризується індексом рівним відношенню маси лісової підстилки до опаду. Чим більший індекс, тим менша інтенсивність круговороту.

Індекс у хвойних лісах – 10 – 17; широколистяних 3 - 4; савані не більше 0,2; вологих тропічних лісах трохи більше 0,1 , тобто. тут біологічний кругообіг найінтенсивніший.

Потік елементів (азоту, фосфору, сірки) через мікроорганізми на порядок вищий, ніж через рослини та тварин.Біологічний кругообіг не є повністю оборотним, він тісно пов'язаний з біогеохімічним кругообігом. Хімічні елементи циркулюють у біосфері різними шляхами біологічного круговороту:

поглинаються живою речовиною та заряджаються енергією;

залишають живу речовину, виділяючи енергію у зовнішнє середовище.

Ці цикли бувають двох типів: кругообіг газоподібних речовин; осадовий цикл (резерв у земній корі).

Самі круговороти складаються із двох частин:

- резервного фонду(Це частина речовини, не пов'язана з живими організмами);

- рухомого (обмінного) фонду(менша частина речовини, пов'язана з прямим обміном між організмами та їх безпосереднім оточенням).

Кругообіги ділять на:

Кругообіги газового типу із резервним фондому земній корі (кругообіги вуглецю, кисню, азоту) - здатні до швидкої саморегуляції;

Кругообіги осадового типу із резервним фондому земній корі (кругообіги фосфору, кальцію, заліза та ін.) – більш інертні, основна маса речовини знаходиться у «недоступному» живим організмам вигляді.

Кругообіги також можна розділити на:

- замкнуті(кругообіг газоподібних речовин, наприклад, кисню, вуглецю та азоту - резерв в атмосфері та гідросфері океану, тому брак швидко компенсується);

- незамкнені(Створюють резервний фонд у земній корі, наприклад, фосфор - тому втрати погано компенсуються, тобто створюється дефіцит).

Енергетичною основою існування біологічних кругообігів на Землі та їх початковою ланкою є процес фотосинтезу.Кожен новий цикл кругообігу не є точним повторенням попереднього. Наприклад, у ході еволюції біосфери частина процесів мала незворотний характер, внаслідок чого відбувалося утворення та накопичення біогенних опадів, збільшення кількості кисню в атмосфері, зміна кількісних співвідношень ізотопів низки елементів тощо.

Циркуляцію речовин прийнято називати біогеохімічними циклами . Основні біогеохімічні (біосферні) цикли речовин: цикл води, цикл кисню, цикл азоту(Участь бактерій-азотфіксаторів), цикл вуглецю(Участь аеробних бактерій; щорічно близько 130 т вуглецю скидається в геологічний цикл), цикл фосфору(участь ґрунтових бактерій; щорічно в океани вимивається 14 млн.т фосфору), цикл сірки, цикл катіонів металів.

Кругообіг речовин у природі - циклічний процес перетворення і переміщення окремих хімічних елементів та їх сполук. Відбувся протягом усієї історії розвитку Землі і продовжується в даний час. Завжди має місце певне відхилення у складі та кількості циркулюючої речовини, тому в природі немає повного повторення циклу. Це визначає поступальний розвиток Землі як планети. Особливо характерний кругообіг речовин для геологічної стадії розвитку, коли формувалися осн. оболонки Землі. За масштабом прояву першому місці перебуває геологічний кругообіг. Він являє собою рух речовини переважно у внутрішніх оболонках: підйом в результаті висхідних тектонічних рухів і вулканізму; перенесення його по горизонталі у зовнішніх оболонках та акумуляція; низхідні рухи - поховання опадів, занурення внаслідок низхідних тектонічних рухів. На глибині відбувається метаморфізм, плавлення речовини з утворенням магми та метаморфічних гірських порід. Основну роль у створенні географічної оболонки відіграє кругообіг води.

З часу появи життя Землі почався біологічний кругообіг. Він забезпечує безперервні перетворення, в результаті яких речовини після використання одними організмами переходять у форму, що засвоюється для інших організмів. Енергетичною основою є сонячна енергія, що надходить на Землю. Рослинні організми поглинають мінеральні речовини, які через харчові ланцюги потрапляють до організму тварин, потім за допомогою редуцентів (бактерій, грибів та ін.) повертаються в ґрунт чи атмосферу. Від інтенсивності цього кругообігу залежить кількість і різноманітність живих організмів на Землі та обсяг накопичуваної ними біомаси. Макс. інтенсивність біологічного круговороту на суші спостерігається у вологих тропічних лісах, де рослинні залишки майже не накопичуються і мінеральні речовини, що вивільняються, відразу ж поглинаються рослинами. Дуже низька інтенсивність круговороту в болотах і тундрі, де залишки рослин, що не встигають розкластися, накопичуються. Особливе значення мають кругообіг біогенних хімічних елементів, насамперед вуглецю. Рослинні організми витягують із атмосфери до 300 млрд. т вуглекислого газу (чи 100 млрд. т вуглецю) щорічно. Рослини частково поїдають тваринами, частково відмирають. Органічна речовина в результаті дихання організмів, розкладання їх залишків, процесів бродіння та гниття перетворюється на вуглекислий газ або відкладається у вигляді сапропелю, гумусу, торфу, з яких надалі утворюються вугілля, нафта, горючий газ. В активному кругообігу вуглецю бере участь дуже невелика його частина, значна кількість законсервована у вигляді горючих викопних вапняків та інших гірських порід. основ. маса азоту зосереджена у атмосфері (3,8510№? т); у водах Світового океану його міститься 2510№і т. У кругообігу азоту провідна роль належить мікроорганізмам: азотофіксаторам, нітрифікаторам та денітрифікаторам. Щороку на суші в кругообіг залучається бл. 4510? т азоту, у водному середовищі у 4 рази менше. Азотовмісні сполуки з відмерлих залишків перетворюються нітрифікуючими мікроорганізмами на оксиди азоту, які згодом розкладаються денітрифікуючими бактеріями з виділенням молекулярного азоту. З живою речовиною пов'язані також круговороти кисню, фосфору, сіркита багатьох інших елементів. Наслідки впливу людини на кругообіг речовин стають все значнішими. Вони стали порівняні з результатами геологічних процесів: у біосфері виникають нові шляхи міграції речовин, з'являються нові хімічні сполуки, яких не було раніше, змінюється кругообіг води.

Біосфера Землі характеризується певним чином сформованим кругообігом речовин і потоком енергії. Кругообіг речовин - багаторазова участь речовин у процесах, що протікають в атмосфері, гідросфері та літосфері, у тому числі в тих шарах, що входять до складу біосфери Землі. Кругообіг речовина здійснюється при безперервному надходженні зовнішньої енергії Сонця та внутрішньої енергії Землі.

Залежно від рушійної сили, всередині круговороту речовин можна виділити геологічний (великий кругообіг), біологічний (біогеохімічний, малий кругообіг) та антропогенний кругообіг.

Геологічний кругообіг (великий кругообіг речовин у біосфері)

Цей кругообіг здійснює перерозподіл речовини між біосферою та глибшими горизонтами Землі. Рушійною силою цього процесу є екзогенні та ендогенні геологічні процеси. Ендогенні процеси відбуваються під впливом внутрішньої енергії Землі. Це енергія, що виділяється в результаті радіоактивного розпаду, хімічних реакцій утворення мінералів та ін. До ендогенних процесів відносять, наприклад, тектонічні рухи, землетруси. Ці процеси ведуть до утворення великих форм рельєфу (материки, океанічні западини, гори та рівнини). Екзогенні процеси протікають під впливом зовнішньої енергії Сонця. До них належать геологічна діяльність атмосфери, гідросфери, живих організмів та людини. Ці процеси ведуть до згладжування великих форм рельєфу (річкові долини, пагорби, яри та ін.).

Триває геологічний кругообіг мільйони років і полягає в тому, що гірські породи зазнають руйнування, а продукти вивітрювання (у тому числі розчинні у воді поживні речовини) зносяться потоками води у Світовий океан, де вони утворюють морські напластування і лише частково повертаються на сушу з опадами. Геотектонічні зміни, процеси опускання материків та підняття морського дна, переміщення морів та океанів протягом тривалого часу призводять до того, що ці напластування повертаються на сушу та процес починається знову. Символом цього круговороту речовин є спіраль, а чи не коло, т.к. новий цикл круговороту не повторює точно старий, а вносить щось нове.

До великого кругообігу відноситься кругообіг води (гідрологічний цикл) між сушею і океаном через атмосферу (рис. 3.2).

Кругообіг води загалом відіграє основну роль у формуванні природних умов на нашій планеті. З урахуванням транспірації води рослинами та поглинання їх у біогеохімічному циклі, весь запас води Землі розпадається і відновлюється на 2 млн. років.

Мал. 3. 2. Кругообіг води у біосфері.

У гідрологічному циклі всі частини гідросфери пов'язані між собою. У ньому щорічно бере участь понад 500 тис. км3 води. Рушійною силою цього процесу є сонячна енергія. Молекули води під впливом сонячної енергії нагріваються і піднімаються як газу атмосферу (щодобово випаровується – 875 км3 прісної води). У міру підняття вони поступово охолоджуються, конденсуються та утворюють хмари. Після достатнього охолодження хмари звільняють воду у вигляді різних опадів, що падають у океан. Вода, що потрапила на землю, може йти двома різними шляхами: або вбиратися в ґрунт (інфільтрація), або стікати по ньому (поверхневий стік). По поверхні вода стікає в струмки та річки, що прямують до океану або інші місця, де відбувається випаровування. Вода, що ввібралася в грунт, може утримуватися в її верхніх шарах (горизонтах) і повертатися в атмосферу шляхом транспірації. Така вода називається капілярною. Вода, яка захоплюється силою тяжкості і просочується вниз по порах та тріщинах називається гравітаційною. Просочується гравітаційна вода до непроникного шару гірської породи або щільної глини, заповнюючи всі порожнечі. Такі запаси називаються грунтовими водами, які верхня межа – рівнем грунтових вод. Підземні шари породи, якими повільно течуть грунтові води називаються водоносними горизонтами. Під дією сили тяжіння ґрунтові води рухаються водоносним шаром до тих пір, поки не знайдуть «вихід» (наприклад, утворюючи природні джерела, які живлять озера, річки, ставки, тобто стають частиною поверхневих вод). Таким чином, кругообіг води включає три основні «петлі»: поверхневого стоку, випаровування-транспірації, ґрунтових вод. У кругообігу води Землі щорічно бере участь понад 500 тис. км3 води і грає основну роль формуванні природних умов.

Біологічний (біогеохімічний) кругообіг

(малий кругообіг речовин у біосфері)

Рушійною силою біологічного кругообігу речовин є діяльність живих організмів. Він є частиною великого і відбувається у межах біосфери лише на рівні екосистем. Складається малий кругообіг у тому, що поживні речовини, вода і вуглець акумулюються в речовині рослин (автотрофи), витрачаються на побудову тіл та життєві процеси, як рослин, так і інших організмів (як правило, тварин – гетеротрофів), які поїдають ці рослини. Продукти розпаду органічної речовини під дією деструкторів та мікроорганізмів (бактерії, гриби, черв'яки) знову розкладаються до мінеральних компонентів. Ці неорганічні речовини можуть бути використані для синтезу автотрофами органічних речовин.

У біогеохімічних кругообігах розрізняють резервний фонд (речовини, які пов'язані з живими організмами) і обмінний фонд (речовини, пов'язані прямим обміном між організмами та його безпосереднім оточенням).

Залежно від розташування резервного фонду біогеохімічні кругообіги ділять на два типи:

Кругообіги газового типу з резервним фондом речовин в атмосфері та гідросфері (кругообіги вуглецю, кисню, азоту).

Кругообіги осадового типу з резервним фондом у земній корі (кругообіги фосфору, кальцію, заліза та ін.).

Кругообіги газового типу, володіючи великим обмінним фондом, є досконалішими. І, крім того, вони здатні швидко саморегулюватися. Кругообіги осадового типу менш досконалі, вони більш інертні, тому що основна маса речовини міститься в резервному фонді земної кори в недоступному живим організмам вигляді. Такі кругообіги легко порушуються від різного роду впливів, і частина матеріалу, що обмінюється, виходить з круговороту. Повернутися знову до кругообігу вона може лише в результаті геологічних процесів або шляхом вилучення живою речовиною.

Інтенсивність біологічного круговороту визначається температурою навколишнього середовища та кількістю води. Наприклад, біологічний кругообіг інтенсивніше протікає у вологих тропічних лісах, ніж у тундрі.

Кругообіги основних біогенних речовин та елементів

Кругообіг вуглецю

Все земне життя засноване на вуглеці. Кожна молекула живого організму побудована з урахуванням вуглецевого скелета. Атоми вуглецю постійно мігрують із однієї частини біосфери до іншої (рис. 3. 3.).

Мал. 3. 3. Кругообіг вуглецю.

Основні запаси вуглецю Землі перебувають у вигляді що міститься у атмосфері і розчиненого в Світовому океані діоксиду вуглецю (CO2). Рослини поглинають молекули вуглекислого газу, у процесі фотосинтезу. В результаті атом вуглецю перетворюється на різноманітні органічні сполуки і таким чином включається до структури рослин. Далі можливо кілька варіантів:

· вуглець залишається в рослинах ® молекули рослин йдуть у їжу редуцентам (організмам, які харчуються мертвою органічною речовиною і при цьому руйнують його до простих неорганічних сполук) ® вуглець повертається в атмосферу як CO2;

· рослини з'їдаються травоїдними тваринами ® вуглець повертається в атмосферу в процесі дихання тварин та при їх розкладанні після смерті; або травоїдні тварини будуть з'їдені м'ясоїдними і тоді вуглець знову ж таки повернеться в атмосферу тими ж шляхами;

· рослини після загибелі перетворюються на викопне паливо (наприклад, у вугілля) ® вуглець повертається в атмосферу після використання палива, вулканічних вивержень та ін геотермальних процесів.

У разі розчинення вихідної молекули CO2 у морській воді також можливо кілька варіантів: вуглекислий газ може просто повернутися в атмосферу (цей вид взаємного газообміну між Світовим океаном та атмосферою відбувається постійно); вуглець може увійти в тканини морських рослин або тварин, тоді він поступово накопичуватиметься у вигляді відкладень на дні Світового океану і врешті-решт перетвориться на вапняк або з відкладень знову перейде в морську воду.

Швидкість кругообігу CO2 становить близько 300 років.

Втручання людини у кругообіг вуглецю (спалювання вугілля, нафти, газу, дегуміфікація) призводить до зростання вмісту CO2 в атмосфері та розвитку парникового ефекту. В даний час дослідження кругообігу вуглецю стало важливим завданням для вчених, які займаються вивченням атмосфери.

Кругообіг кисню

Кисень є найпоширенішим елементом Землі (у морській воді міститься 85,82% кисню, в атмосферному повітрі 23,15%, у земній корі 47,2%). Сполуки кисню незамінні підтримки життя (грають найважливішу роль процесах обміну речовин, і диханні, входить до складу білків, жирів, вуглеводів, у тому числі «побудовані» організми). Головна маса кисню перебуває у зв'язаному стані (кількість молекулярного кисню в атмосфері становить лише 0,01% від загального вмісту кисню в земній корі).

Так як кисень міститься в багатьох хімічних сполуках, його кругообіг у біосфері дуже складний і головним чином відбувається між атмосферою та живими організмами. Концентрація кисню в атмосфері підтримується завдяки фотосинтезу, в результаті якого зелені рослини під дією сонячного світла перетворюють діоксид вуглецю та воду на вуглеводи та кисень. Переважна більшість кисню продукується рослинами суші – майже ¾, решта – фотосинтезуючими організмами Світового океану. Потужним джерелом кисню є фотохімічне розкладання водяної пари у верхніх шарах атмосфери під впливом ультрафіолетових променів сонця. Крім того, кисень здійснює найважливіший кругообіг, входячи до складу води. Незначна кількість кисню утворюється з озону під впливом ультрафіолетової радіації.

Швидкість кругообігу кисню близько 2 тис. років.

Вирубування лісів, ерозія грунтів, різні гірничі виробки на поверхні зменшують загальну масу фотосинтезу та знижують кругообіг кисню на значних територіях. Крім того, на промислові та побутові потреби щорічно витрачається 25 % кисню, що утворюється внаслідок асиміляції.

Кругообіг азоту

Біогеохімічний кругообіг азоту, так само як і попередні кругообіги, охоплює всі галузі біосфери (рис. 3.4).

Мал. 3. 4. Кругообіг азоту.

Азот входить до складу земної атмосфери у незв'язаному вигляді у формі двоатомних молекул (приблизно 78% всього обсягу атмосфери посідає частку азоту). Крім того, азот входить до складу рослин та тварин організмів у формі білків. Рослини синтезують білки, поглинаючи нітрати із ґрунту. Нітрати утворюються там із атмосферного азоту та амонійних сполук, наявних у грунті. Процес перетворення атмосферного азоту на форму, засвоювану рослинами і тваринами, називається зв'язуванням азоту. При гниття органічних речовин значна частина азоту, що міститься в них, перетворюється на аміак, який під впливом живуть у грунті нітрифікуючих бактерій окислюється потім на азотну кислоту. Ця кислота, вступаючи в реакцію з карбонатами, що знаходяться в грунті (наприклад, з карбонатом кальцію СаСОз), утворює нітрати. Деяка частина азоту завжди виділяється при гнитті у вільному вигляді в атмосферу. Крім того, вільний азот виділяється під час горіння органічних речовин, при спалюванні дров, кам'яного вугілля, торфу. Крім цього, існують бактерії, які за недостатнього доступу повітря можуть забирати кисень від нітратів, руйнуючи їх із виділенням вільного азоту. Діяльність денітрифікуючих бактерій призводить до того, що частина азоту з доступної для зелених рослин форми (нітрати) переходить у недоступну (вільний азот). Таким чином, далеко не весь азот, що входив до складу загиблих рослин, повертається назад у ґрунт (частина його поступово виділяється у вільному вигляді).

До процесів, що відшкодовують втрати азоту, відносяться, перш за все, електричні розряди, що відбуваються в атмосфері, при яких завжди утворюється деяка кількість оксидів азоту (останні з водою дають азотну кислоту, що перетворюється в грунті на нітрати). Іншим джерелом поповнення азотних сполук грунту є життєдіяльність про азотобактерій, здатних засвоювати атмосферний азот. Деякі з цих бактерій поселяються на коренях рослин із сімейства бобових, викликаючи утворення характерних здуття - бульбочок. Бульбякові бактерії, засвоюючи атмосферний азот, переробляють його в азотні сполуки, а рослини, у свою чергу, перетворюють останні на білки та інші складні речовини. Таким чином, у природі відбувається безперервний кругообіг азоту.

У зв'язку з тим, що щорічно з урожаєм з полів забираються найбагатші на білки частини рослин (наприклад, зерно), ґрунт «вимагає» вносити добрива, що відшкодовують спад у ній найважливіших елементів живлення рослин. В основному використовують нітрат кальцію (Ca(NO)2), нітрат амонію (NH4NO3), нітрат натрію (NANO3) та нітрат калію (KNO3). Також замість хімічних добрив використовують самі рослини з сімейства бобових. Якщо кількість штучних азотних добрив, що вносяться в ґрунт, надмірно велика, то нітрати надходять і в організм людини, де вони можуть перетворюватися на нітрити, що мають велику токсичність і здатні викликати онкологічні захворювання.

Кругообіг фосфору

Переважна більшість фосфору міститься у гірських породах, що утворилися минулі геологічні епохи. Зміст фосфору у земній корі становить від 8 - 10 до 20 % (за вагою) і він тут у вигляді мінералів (фторапатит, хлорапатит та інших.), які входять до складу природних фосфатів - апатитів і фосфоритів. У біогеохімічний кругообіг фосфор може потрапити в результаті вивітрювання гірських порід. Ерозійними процесами фосфор виноситься у морі як мінералу апатиту. У перетвореннях фосфору велику роль грають живі організми. Організми витягують фосфор із ґрунтів та водних розчинів. Далі фосфор передається ланцюгами харчування. З загибеллю організмів фосфор повертається в грунт і в мули морів, і концентрується у вигляді морських фосфатних відкладень, що створює умови для створення багатих фосфором порід (рис. 3. 5.).

Мал. 3.5. Кругообіг фосфору в біосфері (за П. Дювіньо, М. Танг, 1973; зі змінами).

При неправильному застосуванні фосфорних добрив, внаслідок водної та вітрової ерозії (руйнування під дією води чи вітру) велика кількість фосфору видаляється із ґрунту. З одного боку, це призводить до перевитрати фосфорних добрив та виснаження запасів фосфоровмісних руд.

З іншого боку, підвищений вміст фосфору на водних шляхах його перенесення викликає бурхливе збільшення біомаси водних рослин, «цвітіння водойм» та їх евтрофікацію (збагачення поживними речовинами).

Оскільки рослини виносять із ґрунту значну кількість фосфору, а природне поповнення фосфорними сполуками ґрунту вкрай незначне, то внесення у ґрунт фосфорних добрив є одним із найважливіших заходів щодо підвищення врожайності. Щорічно у світі видобувають приблизно 125 млн. т фосфатної руди. Більшість її витрачається виробництво фосфатних добрив.

Кругообіг сірки

Основний резервний фонд сірки знаходиться у відкладах, у ґрунті та атмосфері. Головна роль у залученні сірки до біогеохімічного кругообігу належить мікроорганізмам. Одні їх відновники, інші – окислювачі (рис. 3. 6.).

Мал. 3. 6. Кругообіг сірки (за Ю. Одумом, 1975).

У природі у великій кількості відомі різні сульфіди заліза, свинцю, цинку та ін. Сульфідна сірка окислюється в біосфері до сірки. Сульфати поглинаються рослинами. У живих організмах сірка входить до складу амінокислот та білків, а у рослин, крім того, до складу ефірних олій тощо. Процеси руйнування залишків організмів у ґрунтах та в мулах морів супроводжуються складними перетвореннями сірки (мікроорганізми, створюють численні проміжні сполуки сірки). Після загибелі живих організмів частина сірки відновлюється в ґрунті мікроорганізмами до H2S, інша частина окислюється до сульфатів і знову входить у кругообіг. Сірководень, що утворився в атмосфері, окислюється і повертається в грунт з опадами. Крім того, сірководень може знову утворити «вторинні» сульфіди, а сірка сульфат створює гіпс. У свою чергу сульфіди та гіпс знову зазнають руйнування, і сірка відновлює свою міграцію.

Крім того, сірка у вигляді SO2, SO3, H2S та елементарної сірки викидається вулканами в атмосферу.

Кругообіг сірки може бути порушений втручанням людини. Виною тому стає спалювання кам'яного вугілля та викиди хімічної промисловості, внаслідок чого утворюється сірчистий газ, що порушує процеси фотосинтезу та призводить до загибелі рослинності.

Таким чином, біогеохімічні цикли забезпечують гомеостаз біосфери. При цьому вони значною мірою схильні до впливу людини. І однією з найпотужніших антиекологічних дій людини пов'язане з порушенням і навіть руйнуванням природних кругообігів (вони стають ациклічними).

Антропогенний кругообіг

Рушійною силою антропогенного кругообігу є діяльність людини. Цей кругообіг включає дві складові: біологічну, пов'язану з функціонуванням людини як живого організму, і технічну, пов'язану з господарською діяльністю людей. Антропогенний кругообіг на відміну і геологічного та біологічного не є замкнутим. Ця незамкнутість стає причиною виснаження природних ресурсів та забруднення природного середовища.

У природі існує два основні круговороти речовин: великий (геологічний) та малий (біогеохімічний).

Геологічний - великий кругообіг речовин(Додаток А), зумовлений, взаємодією сонячної енергії з глибинною енергією Землі та здійснює перерозподіл речовини між біосферою та глибшими горизонтами Землі. Осадові гірські породи, утворені за рахунок вивітрювання магматичних порід, у рухомих зонах земної кори знову занурюються в зону високих температур та тисків. Там вони переплавляються та утворюють магму – джерело нових магматичних порід. Після підняття цих порід на земну поверхню і дії процесів вивітрювання знову відбувається трансформація їх у нові осадові породи. Символом кругообігу речовин є спіраль,а не коло. Це означає, що новий цикл круговороту не повторює точно старий, а вносить щось нове, що з часом призводить до значних змін.

Великий кругообіг - це і кругообіг водиміж сушею та океаном через атмосферу. Волога, що випарувалася з поверхні Світового океану, переноситься на сушу, де випадає у вигляді опадів, які знову повертаються в океан у вигляді поверхневого та підземного стоку.

Кругообіг води відбувається і за більш простою схемою: випаровування вологи з поверхні океану - конденсація водяної пари - випадання опадівна цю ж водяну поверхню океану.

Підраховано, що у кругообігу води на Землі щорічно бере участь понад 500 тис. км3 води. Кругообіг води загалом відіграє основну роль у формуванні природних умов на нашій планеті. З урахуванням транспірації води рослинами та поглинання її в біогеохімічному циклі весь запас води на Землі розпадається і відновлюється за 2 мільйони років.

Малий кругообіг речовин у біосфері (біогеохімічний) (Додаток Б). На відміну великого круговороту, відбувається лише межах біосфери. Сутність його в утворенні живої речовини з неорганічних сполук у процесі фотосинтезу і перетворення органічної речовини при розкладанні знову в неорганічні сполуки. Цей кругообіг для життя біосфери - головний, і він сам є породженням життя. Змінюючись, народжуючись і вмираючи, жива речовина підтримує життя на нашій планеті, забезпечуючи біогеохімічний кругообіг речовин. Головним джерелом енергії кругообігу є сонячна радіація, яка породжує фотосинтез. Ця енергія досить нерівномірно розподіляється на поверхні земної кулі. Наприклад, на екваторі кількість тепла, що припадає на одиницю площі, втричі більша, ніж на архіпелазі Шпіцберген (80°пн.ш). Крім того, вона втрачається шляхом відбиття, поглинається ґрунтом, витрачається на транспірацію води. Як ми вже зазначали, на фотосинтез витрачається не більше 5% від усієї енергії, але найчастіше 2-3%.

У ряді екосистем перенесення речовини та енергії здійснюється переважно за допомогою трофічних ланцюгів.

Такий кругообіг зазвичай називають біологічним. Він передбачає замкнутий цикл речовин, що багаторазово використовується трофічним ланцюгом. Він є у водних екосистемах, особливо в планктоні з його інтенсивним метаболізмом, але не в наземних екосистемах, за винятком дощових тропічних лісів, де може бути забезпечена передача поживних речовин від рослини до рослини, коріння яких на поверхні грунту.

Однак у масштабах усієї біосфери такий кругообіг неможливий. Тут діє біогеохімічний кругообіг, що є обмін макро- і мікроелементів і простих неорганічних речовин з речовиною атмосфери, гідросфери і літосфери.

Кругообіг окремих речовин - В.І. Вернадський назвав біогеохімічними циклами. Головне в тому, що хімічні елементи, поглинені організмом, згодом залишають його, йдучи в абіотичне середовище, потім, через якийсь час, знову потрапляють у живий організм. Такі елементи називають біофільними. Цими циклами та кругообігом в цілому забезпечуються найважливіші функції живої речовини в біосфері. В. І. Вернадський виділяє п'ять таких функцій:

- першафункція – газова – основні гази атмосфери Землі, азот та кисень, біогенного походження, як і всі підземні гази – продукт розкладання відмерлої органіки;

- другафункція – концентраційна – організми накопичують у своїх тілах багато хімічних елементів, серед яких на першому місці стоїть вуглець, серед металів – перший кальцій, концентраторами кремнію є діатомові водорості, йоду – водорості (ламінарія), фосфору – скелети хребетних тварин;

- третяфункція - окислювально-відновна - організми, що живуть у водоймах, регулюють кисневий режим і створюють умови для розчинення або осадження ряду металів (V, Mn, Fe) і неметалів (S) зі змінною валентністю;

- четвертафункція - біохімічна -розмноження, зростання та переміщення у просторі ("розповзання") живої речовини;

- п'ятафункція - біогеохімічна діяльність людини - охоплює все кількість речовин земної кори, що розростається.

Отже, слід зазначити лише один-єдиний на Землі процес, який не витрачає, а, навпаки, пов'язує сонячну енергію і навіть накопичує її - це створення органічної речовини внаслідок фотосинтезу. У зв'язуванні та запасанні сонячної енергії і полягає основна планетарна функція кругообігу речовин на Землі.

Усі речовини планети перебувають у процесі круговороту. Сонячна енергія викликає на Землі два круговороти речовин: великий (геологічний, біосферний)і малі (біологічні).

Великий кругообіг речовин у біосфері характеризується двома важливими моментами: він здійснюється протягом усього геологічного розвитку Землі і є сучасним планетарним процесом, що бере участь у подальшому розвитку біосфери.

Геологічний кругообіг пов'язаний з утворенням та руйнуванням гірських порід та подальшим переміщенням продуктів руйнування - уламкового матеріалу та хімічних елементів. Значну роль у цих процесах відігравали і продовжують відігравати термічні властивості поверхні суші та води: поглинання та відбиття сонячних променів, теплопровідність та теплоємність. Нестійкий гідротермічний режим поверхні Землі разом із планетарною системою циркуляції атмосфери зумовлював геологічний кругообіг речовин, який на початковому етапі розвитку Землі, поряд з ендогенними процесами, був пов'язаний із формуванням континентів, океанів та сучасних геосфер. З становленням біосфери у великий кругообіг включилися продукти життєдіяльності організмів. Геологічний кругообіг постачає живим організмам елементи живлення та багато в чому визначає умови їх існування.

Головні хімічні елементилітосфери: кисень, кремній, алюміній, залізо, магній, натрій, калій та інші – беруть участь у великому кругообігу, проходячи від глибинних частин верхньої мантії до поверхні літосфери. Магматична порода, що виникла при кристалізації магми, надійшовши на поверхню літосфери з глибин Землі, піддається розкладанню, вивітрюванню в галузі біосфери. Продукти вивітрювання переходять у рухомий стан, зносяться водами, вітром у знижені місця рельєфу, потрапляють у річки, океан та утворюють потужні товщі осадових порід, які згодом, занурюючись на глибину в областях з підвищеною температурою та тиском, піддаються метаморфозу, тобто. "переплавляються". При цій переплавці виникає нова метаморфічна порода, що надходить у верхні горизонти земної кори і знову входить у кругообіг речовин (Мал.).

Найбільш інтенсивному і швидкому кругообігу піддаються легкорухливі речовини - гази та природні води, що становлять атмосферу та гідросферу планети. Значно повільніше робить кругообіг матеріал літосфери. Загалом кожен кругообіг будь-якого хімічного елемента є частиною загального великого круговороту речовин на Землі, і всі вони тісно пов'язані між собою. Жива речовина біосфери у цьому кругообігу виконує величезну роботу з перерозподілу хімічних елементів, безперервно циркулюючих у біосфері, переходячи із довкілля в організми і знову у довкілля.

Малий, або біологічний, кругообіг речовин- це

циркуляція речовин між рослинами, тваринами, грибами, мікроорганізмами та ґрунтом. Суть біологічного круговороту полягає у перебігу двох протилежних, але взаємопов'язаних процесів – створення органічних речовин та їх руйнування. Початковий етап виникнення органічних речовин зумовлений фотосинтезом зелених рослин, тобто утворенням живої речовини з вуглекислого газу, води та простих мінеральних сполук з використанням енергії Сонця. Рослини (продуценти) вилучають із ґрунту в розчині молекули сірки, фосфору, кальцію, калію, магнію, марганцю, кремнію, алюмінію, цинку, міді та інших елементів. Рослинноядні тварини (консументи I порядку) поглинають сполуки цих елементів у вигляді їжі рослинного походження. Хижаки (консументи II порядку) харчуються рослиноїдними тваринами, споживаючи їжу складнішого складу, що включає білки, жири, амінокислоти та інші речовини. У процесі руйнування мікроорганізмами (редуцентами) органічних речовин відмерлих рослин і останків тварин, у ґрунт і водне середовище надходять прості мінеральні сполуки, доступні для засвоєння рослин, і починається наступний виток біологічного круговороту (Рис. 33).

Виникнення та розвиток ноосфери

Еволюція органічного світу Землі пройшла кілька этапов.Перший – пов'язані з виникненням біологічного круговороту речовин, у біосфері. Другий-супроводжувався формуванням багатоклітинних організмів. Ці два етапи називають біогенезом. Третій етап пов'язаний з появою людського суспільства, під впливом якого в сучасних умовах відбувається еволюція біосфери та перетворення її на сферу розуму-ноосферу (від гр.-розум,-куля). Ноосфера- новий стан біосфери, коли розумна діяльність людини стає головним чинником, що зумовлює її розвиток. Термін "ноосфера" був введений Е. Леруа. В. І. Вернадський поглибив та розвинув вчення про ноосферу. Він писав: «Ноосфера є нове геологічне явище на нашій планеті. У ній людина стає великою геологічною силою». В. І. Вернадський виділив необхідні передумови для створення ноосфери: 1. Людство стало єдиним цілим. 2. Можливість миттєвого обміну інформацією. 3. Реальна рівність людей. 4. Зростання загального рівня життя. 5. Використання нових видів енергії. 6.Виключення воєн з життя суспільства. Створення цих передумов стає можливим внаслідок вибуху наукової думки у ХХ столітті.

Тема – 6. Природа – людина: системний підхід.Мета лекції: Сформувати цілісне уявлення про системні постулати екології.

Основні питання: 1. Поняття про систему і про складні біосистеми. 2. Особливості біологічних систем. кількості живого вещества.4.Модели взаємодій у системах «природа- людина» і « людина-економіка-біота-среда».

Екологічна система – головний об'єкт екології. Екологія за своєю сутністю є системною і в теоретичному вигляді близька до загальної теорії систем. Відповідно до загальної теорії систем система- це реальна чи мислима сукупність частин, цілісні властивості якої визначаються взаємодією між частинами (елементами) системи. У реальному житті систему визначають як сукупність об'єктів, об'єднаних деякою формою регулярної взаємодії або взаємозалежності для виконання заданої функції. У матеріальному існують певні ієрархії-упорядковані послідовності просторово-часового підпорядкування та ускладнення систем. Усі різноманіття нашого світу у вигляді трьох послідовно виниклих ієрархій. Це основна, природна, фізико-хіміко-біологічна (Ф, Х, Б) ієрархія та побічні дві, що виникли на її основі, соціальна (С) та технічна (Т) ієрархії. Існування останніх за сукупністю зворотних зв'язків певним чином впливає на основну ієрархію. Об'єднання систем із різних ієрархій призводить до «змішаних» класів систем. Так, поєднання систем з фізико-хімічної частини ієрархії (Ф, X – «середовище») з живими системами біологічної частини ієрархії (Б – «біота») призводить до змішаного класу систем, званих екологічними.А об'єднання систем з ієрархій С

(«людина») та Т («техніка») призводить до класу господарських, або техніко-економічних,систем.

Мал. . Ієрархії матеріальних систем:

Ф, X – фізико-хімічна, Б – біологічна, С – соціальна, Т – технічна

Має бути зрозуміло, що відображений на схемі вплив людського суспільства на природу, опосередкований технікою та технологіями (техногенез), відноситься до всієї ієрархії природних систем: нижня гілка – до абіотичного середовища, верхня – до біоти біосфери. Нижче буде розглянуто сполученість екологічних та техніко-економічних сторін цієї взаємодії.

Всім системам притаманні деякі загальні властивості:

1. Кожна система має певну структуру,що визначається формою просторово-часових зв'язків або взаємодій між елементами системи. Структурна впорядкованість як така не визначає організацію системи. Систему можна назвати організованою,якщо її існування або необхідне підтримки деякої функціональної (виконує певну роботу) структури, або, навпаки, залежить від діяльності такої структури.

2. Згідно принципом необхідного розмаїттясистема неспроможна складатися з ідентичних елементів, позбавлених індивідуальності. Нижня межа різноманітності – не менше двох елементів (протон та електрон, білок та нуклеїнова кислота, «він» та «вона»), верхній – нескінченність. Різноманітність – найважливіша інформаційна характеристика системи. Воно відрізняється від числа різновидів елементів і може бути виміряно.3.Властивості системи неможливо осягнути лише на підставі властивостей її частин. Вирішальне значення має взаємодія між елементами. За окремими деталями машини перед складання не можна судити про її дію. Вивчаючи окремо деякі форми грибів та водоростей, не можна передбачити існування їхнього симбіозу у вигляді лишайника. Спільна дія двох або більше різних факторів на організм майже завжди відрізняється від суми їх окремих ефектів. Ступінь незведення властивостей системи до суми властивостей окремих елементів, з яких вона складається, визначає емерджентністьсистеми.

4.Виділення системи ділить її світ на дві частини - саму систему та її середовище. Залежно від наявності (відсутності) обміну речовиною, енергією та інформацією із середовищем принципово можливі: ізольованісистеми (ніякий обмін неможливий); замкнутісистеми (неможливий обмін речовиною); відкритісистеми (можливий обмін речовиною та енергією). Обмін енергії визначає обмін інформацією. У живій природі існують лише відкриті динамічнісистеми, між внутрішніми елементами яких та елементами середовища здійснюються переноси речовини, енергії та інформації. Будь-яка жива система - від вірусу до біосфери - є відкритою динамічною системою.

5. Переважання внутрішніх взаємодій у системі над зовнішніми та лабільність системи по відношенню до зовнішніх віз
діям визначають її здатність до самозбереженнязавдяки якостям організованості, витривалості та стійкості. Зовнішній вплив на систему, що перевищує силу та гнучкість її внутрішніх взаємодій, призводить до незворотних змін
та загибелі системи. Стійкість динамічної системи підтримується безперервно виконуваною нею зовнішньою циклічною роботою. Для цього потрібні потік і перетворення енергії на це. тему. Імовірність досягнення головної мети системи - самозбереження (у тому числі і шляхом самовідтворення) визначається як її потенційну ефективність.

6. Дія системи у часі називають її поведінкою.Викликане зовнішнім фактором зміна поведінки позначають як реакціюсистеми, а зміна реакції системи, пов'язане зі зміною структури і спрямоване на стабілізацію поведінки, як її. пристосування,або адаптацію.Закріплення адаптивних змін структури та зв'язків системи в часі, при якому її потенційна ефективність збільшується, розглядається як розвиток,або еволюція,системи. Виникнення та існування всіх матеріальних систем у природі обумовлено еволюцією. Динамічні системи еволюціонують у бік від більш можливої ​​до менш можливої ​​організації, тобто. розвиток йде шляхом ускладнення організації та утворення підсистем у структурі системи. У природі всі форми поведінки систем – від елементарної реакції до глобальної еволюції – суттєво нелінійні.Важливою особливістю еволюції складних систем є
нерівномірність; відсутність монотонності.Періоди поступового накопичення незначних змін іноді перериваються різкими якісними стрибками, що суттєво змінюють властивості системи. Зазвичай вони пов'язані з так званими точками біфуркації- роздвоєнням, розщепленням колишнього шляху еволюції. 0т вибору того чи іншого продовження шляху в точці біфуркації дуже багато залежить, аж до появи та процвітання нового світу частинок, речовин, організмів, соціумів або, навпаки, загибелі системи. Навіть для вирішальних систем результат вибору часто непередбачуваний, а сам вибір у точці біфуркації може бути зумовлений випадковим імпульсом. Будь-яка реальна система може бути представлена ​​у вигляді деякого матеріального подоби чи знакового образу, тобто. відповідно аналоговий або знаковий модель системи.Моделювання неминуче супроводжується деяким спрощенням та формалізацією взаємозв'язків у системі. Ця формалізація може бути
здійснена у вигляді логічних (причинно-наслідкових) та/або математичних (функціональних) відносин. У міру зростання складності систем у них з'являються нові емерджентні якості. При цьому зберігаються якості простіших систем. Тому загальна різноманітність якостей системи зростає в міру її ускладнення (рис. 2.2).

Мал. 2.2. Закономірності змін властивостей ієрархій систем із підвищенням їхнього рівня (за Флейшманом, 1982):

1 – різноманітність, 2 – стійкість, 3 – емерджентність, 4 – складність, 5 – неідентичність, 6 – поширеність

У порядку зростання активності по відношенню до зовнішніх впливів якості системи можуть бути впорядковані в наступній послідовності: 1 - стійкість, 2 - надійність, обумовлена ​​інформованістю про середовище (перешкодостійкість), 3 - керованість, 4 - самоорганізація. У цьому ряду кожна наступна якість має сенс за наявності попередньої.

Пар Складність структури системи визначається числом пїї елементів та числом т

зв'язків між ними. Якщо будь-якій системі досліджується кількість приватних дискретних станів, то складність системи Звизначається логарифмом числа зв'язків:

C=lgm.(2.1)

Системи умовно класифікуються за складністю так: 1) системи, що мають до тисячі станів (О <С < 3), относятся к простим; 2) системи, що мають до мільйона станів (3< С < 6), являют собой складні системи; 3) системи з кількістю станів понад мільйон (С > 6) ідентифікуються як дуже складні.

Усі реальні природні біосистеми дуже складні. Навіть у структурі одиничного вірусу число біологічно значимих молекулярних станів перевищує останнє значення.