Кругообіг речовин у біосфері

Утворення живої речовини та її розклад - це дві сторони єдиного процесу, який називається біологічним кругообігом хімічних елементів. Життя - це кругообіг елементів між організмом і середовищем. Причина біологічного кругообігу - обмеженість ресурсів елементів, з яких будуються тіла організмів.

Процеси кругообігу речовин у біосфері прийнято розділяти на великий (геологічний) та малий (біологічний) кругообіг.

Рушійною силою великого (геологічного) кругообігу є тектонічні процеси і сонячна енергія. Його потужність - 2 o 1016 т на рік, а тривалість існування - понад 4 млрд. років. Малий (біологічний) кругообіг речовин пов'язаний з діяльністю живої речовини. Його сукупна потужність перевищує 5 o 10й т на рік. Обидва кругообіги протікають одночасно та пов'язані між собою. Вони утворюють єдиний біогеохімічний цикл - циклічне постійне перетворення речовин та зміну потоків енергії з просторовим масоперенесенням за рахунок сукупної дії біотичних та абіотичних трансформацій речовини. В межах єдиного біогеохімічного циклу біосфери найбільше значення мають кругообіги 6 елементів: водню, кисню, вуглецю, азоту, фосфору і сірки (рис. 1.1).

Кругообіг вуглецю. Маса вуглецю в біосфері перевищує 12000 млрд. т. Кругообіг вуглецю відбувається фактично між живою речовиною та двоокисом вуглецю (С02). У процесі фотосинтезу, здійснюваного рослинами, двоокис вуглецю (вуглекислий газ) і вода за допомогою енергії сонячного світла перетворюються на складні органічні сполуки. Щорічно зелені рослини поглинають 200 млрд. т вуглецю. Більша його частина повертається в атмосферу завдяки процесам дихання. Відмерлі рослинні і тваринні організми розкладаються грибами та мікроорганізмами, що супроводжується виділенням С02, який теж повертається в атмосферу. Загальний запас вуглецю в атмосфері становить 711 млрд.т. Ще більше його містить так звана "карбонатна система" Світового океану - 390 трлн. т. Карбонатну систему океанів складають різноманітні живі організми - найпростіші, водорості, корали, молюски тощо, які нагромаджують вуглекислий кальцій у своїх тілах. Повний цикл обміну біосферного вуглецю здійснюється протягом 300 - 1000 років.

Кругообіг води

Вода вкриває поверхні Землі. За одну хвилину під дією сонячного тепла з поверхні водойм Землі випаровується 1 млрд. т води. Внаслідок конденсації водяної пари утворюються хмари, випадають атмосферні опади. Опади проникають у ґрунт, ґрунтові води повертаються на поверхню землі через джерела. Загальний запас води в гідросфері становить 138 -1016 т. Маса водної пари в атмосфері - 130 o 10м т. Швидкість циркуляції води дуже велика: вода океанів поновлюється за 2 млн. років, ґрунтові води - за рік, річкові - за 12 діб, водна пара в атмосфері - за 10 діб. Щорічно для створення первинної продукції біосфери в процесах фотосинтезу використовується близько 1% води, що потрапляє у вигляді опадів. Людина для побутових і промислових потреб використовує вже близько 2,5% загальної кількості опадів за рік.

Кругообіг кисню

Природними продуцентами вільного молекулярного кисню на Землі є зелені рослини, що утворюють його в процесі фотосинтезу. Атмосфера містить 1,2 - 2,0 o 1015 т кисню. Щорічно цей запас поповнюється на 70 - 100 млрд. т за рахунок фотосинтезу зелених рослин, при цьому 55 млрд. т кисню виробляють лісові масиви. Для абсолютної більшості живих організмів кисень є життєво необхідним. Він забезпечує здійснення окислювальних реакцій, під час яких вивільнюється необхідна для життєдіяльності організмів енергія. У природі відбувається постійний кругообіг цього газу в результаті збалансованих процесів використання атмосферного кисню для дихання, окислювальних процесів і виділення його у вільному вигляді при фотосинтезі. За розрахунками, повний кругообіг кисню у біосфері здійснюється за 2000 років.

Кругообіг азоту

Атмосфера є найбільшим резервуаром газоподібного азоту (3,9 o 1019т, або 78 % за об'ємом). Для більшості організмів він є нейтральним газом. Лише для великої групи мікроорганізмів азот є фактором життєдіяльності. Засвоюючи молекулярний азот, такі мікроорганізми після відмирання забезпечують корені вищих рослин доступними формами цього елементу, який включається в склад амінокислот, білків та пігментів. Кругообіг азоту здійснюється за допомогою двох взаємно збалансованих процесів - нітрифікації (послідовне окислення вільного азоту до нітратів, що поглинаються коренями рослин) і денітрифікації (відновлення азотовмісних сполук до вільної форми). Обидва процеси здійснюються бактеріями. Біологічна фіксація азоту становить приблизно 126 млн. т в рік. За рахунок абіогенної фіксації (наприклад, при розрядах блискавок чи виверженнях вулканів) у біосферу додатково поступає 26 млн. т азоту в нітратній формі.