Трофічні рівні і ланцюги живлення в екосистемах.

Трофічний рівень - сукупність організмів, що займають певне положення в загальному ланцюжку харчування. Відстань організмів від продуцентів однакова. Вони характеризуються певною формою організації та утилізації енергії. Організми різних трофічних ланцюгів, які отримують їжу через рівне число ланок у трофічному ланцюзі, знаходяться на одному трофічні рівні. На кожному трофічному рівні спожита їжа асимілюється не повністю, тому що значна її частина втрачається, витрачається на обмін. Тому продукція організмів кожного наступного трофічного рівня завжди менше (в середньому в 10 разів) попереднього. Співвідношення різних трофічних рівнів можна графічно зобразити у вигляді екологічної піраміди. Продуценти (організми,здатні до фотосинтезу) 1000 à Консументи (організми, які живляться органічними сполуками для життедіяльності) 100 à К1 (рослиноїдні тварини) 10 à К2 (дрібні хижаки) 10 à К3 (крупні хижаки) 10 à Редуманти (розкладають природні рештки,здійснюють мінералізаціюю) 1 à Продуценти 1000 à З кожним трофічним рівнем енергії передається в 10 разів меньше

 

 

29.Екологі́чна пірамі́да (або трофічна піраміда, харчова піраміда) — графічне подання зміни кількості біомаси або біопродуктивності на кожному трофічному рівні екосистеми. Піраміда біомаси показує кількість біомаси на кожному з трофічних рівнів, в той час як піраміда біопродуктивності показує кількість надлишкової біомаси, що продукується організмами на кожному з рівнів.

Екологічні піраміди починаються продуцентами на нижньому рівні і продовжуються вгору через один або кілька рівнів консументів.

Розрізняють три типи екологічних пірамід:

− піраміда чисел − відображає чисельність окремих організмів на кожному рівні;

− піраміда біомаси − кількість органічної речовини, синтезованої на кожному з рівнів;

− піраміда енергії − величина потоку енергії.

Піраміда чисел - відображає кількісний розподіл окремих організмів на трофічних рівнях. Особливістю такої піраміди є зменшення чисельності організмів при русі від продуентов до консументами. Ця закономірність пояснюється тим, що в будь-якій екосистемі дрібні тварини чисельно перевершують великих і розмножуються швидше. Для будь-якого хижака існує нижня і верхня межа розмірів їх жертв, кожному хижакові служать їжею жертви певного розміру. Друга піраміда - обернена, так як в лісових пасовищних харчових ланцюгах продуценти - це дерева, а первинні консументи - це комахи. Рівень первинних консументів за чисельністю перевищує рівень продуцентів.

Піраміда біомаси

Піраміда біомаси - показує співвідношення загальної кількості живої речовини на трофічних рівнях харчового ланцюга. Може мати два графічних різновиди - правильна і обернена. Спостерігаються наступні закономірності: піраміди з широкою основою і вузькою вершиною характерні для наземних і мілководних екосистем, в яких продуценти мають великі розміри і живуть порівняно довго. У молодих екосистем вершина піраміди вужча, ніж у зрілих; піраміда може бути оберненою у відкритих і глибоких водах, де продуценти невеликі за розміром і живуть недовго. Піраміда біомаси відрізняється проміжним характером в озерах і ставках, так як тут рівноцінні ролі продуцентів, тобто великих прикріплених рослин і мікроскопічних водоростей.

Екологічна піраміда біомаси показує взаємодію між кількостями біомаси на різних трофічних рівнях, надаючи кількість біомаси на кожному з рівнів. Типовою одиницею біомаси на кожному рівні є грами на квадратний метр, або калорії на квадратний метр. Піраміди біомаси дають уяву про стан екосистеми в деякий момент часу. Одним з недоліків піраміди біомаси є те, що вони часто (при прийнятих зараз процедурах обчислення) показують перебільшені значення кількості біомаси на трофічному рівні. Наприклад, всі птахи мають скелет, кігті та дзьоби, котрі, незважаючи на включення в загальну масу організму при обчисленні, не поїдаються (або, щонайменше, не перетравлюються) організмами наступного трофічного рівня.

Піраміди біомаси також можуть спотворювати екологічну інформацію завдяки тому, що не беруть до уваги продуктивність кожного з трофічних рівнів. Це може призводити до появи обернених пірамід, де невелика кількість біомаси автотрофів підтримує набагато більшу біомасу наступного рівня гетеротрофів. Це часто трапляється у водних екосистемах, де водорості та фітопланктон, при невеликій власній біомасі в кожний окремий момент часу, завдяки великій біопродуктивності можуть підтримувати набагато більшу біомасу риб та зоопланктона, що ними харчуються.

Піраміда енергії

Піраміда енергії - величина потоку енергії, що проходить через різні трофічні рівні. На відміну від піраміди чисел або біомаси, що характеризують статику екосистеми, піраміда енергії характеризує динаміку проходження маси їжі через харчовий ланцюг. На її форму не впливають ні розміри особин, ні інтенсивність їх метаболізму. Крім того, піраміда чисел перебільшує роль дрібних організмів, піраміда біомаси перебільшує роль великих. Тому піраміда енергії є найбільш універсальною характеристикою для порівняння потоку енергії, що проходить через різні рівні, а також для порівняння однієї екосистеми з іншою.

Вивчення екологічних пірамід дозволяє оцінювати склад і особливості функціонування цілих екосистем або їх окремих частин, а також визначати ступінь антропогенного впливу на окремі організми або екосистему в цілому.

Сонячна енергія, що отримується рослинами, тільки частково використовується для фотосинтезу. Енергія, запасена у вуглеводах, витрачається на ріст і дихання рослин.

Валовою первинною продукцією називається біомаса продуцентів, накопичена ними в процесі фотосинтезу, включаючи ту її частину, яка була витрачена на дихання.

Чиста первинна продукція - біомаса органічної речовини, накопичена в рослинах за даний період часу без дихання.

Пч = Пв - Д1

Пв - валова первинна продукція; Д1 - витрати на дихання.

Частина органічної речовини, створеного продуцентами - їжа для первинних консументів. Ця енергія використовується ними для утворення біомаси, для покриття витрат на дихання, а незасвоєного частина виділяється у вигляді екскрементів.

Потік енергії, що проходить через 2 рівень:

А2 = П2 + Д2

П2 - приріст біомаси другого рівня (чиста вторинна продукція).

Потік енергії, що проходить через 3 рівень:

А3 = П3 + Д3

Для трофічних ланцюгів характерні наступні закономірності:

потік енергії, що виражається кількістю речовини, синтезованої на кожному рівні, у міру просування по ланцюгу зменшується.

так як певна кількість речовини може бути використана кожним біогеоценозом неодноразово, а порція енергії - лише один раз, то в екосистемі відбувається каскадний перенос енергії та кругообіг речовин.

30. Загальна площа поверхні Землі складає 510 млн кв. км, з них 70 %, тобто 361 млн кв. км, — Світовий океан, суходіл — 150 млн кв. км, в тому числі: гори — 30 %, пустелі — 50 %, савани і рідколісся — ЗО %, льодовики — 10 %, і тільки 10 % території суходолу займають сільськогосподарські угіддя. Треба враховувати і той фактор, що сонячна енергія по поверхні Землі розподіляється нерівномірно, її визначає географічне положення, рівень над морем.

Лісові екосистеми. У лісових екосистемах найпоширеніші й найбільш цінні лісові типи, бо це 80 % фітомаси Землі, або 1960 млрд тонн, це 4 млрд га, або ЗО % площі суходолу із середнім запасом деревини 350 млрд куб. м.

На відміну від корисних копалин — нафти, газу, кам'яного вугілля ліс — відновлюваний природний ресурс. У лісах планети налічуються тисячі видів дерев, кущів, ліан. Під пологом лісу знаходяться трава, мох, лишайник, плауни, хвощі, папоротник, гриби, підлісок, мікроорганізми. Щорічно в процесі фотосинтезу ліс дає 100 млрд тонн органічної речовини, відтворюються кислоти, смоли, вітаміни, цукор, фітонциди, з лісової сировини отримують 200 тис. найменувань різної продукції.

Ліс — це елемент географічного ландшафту, що складається із сукупності деревних, кущових, трав'яних рослин, тварин і мікроорганізмів, котрі біологічно взаємопов'язані і впливають як один на одного, так і на зовнішнє середовище.

Тип лісу — це ділянка лісу, або їх сукупність, що характеризується загальними лісорослинними умовами, однаковим складом деревних порід, кількістю ярусів, аналогічною формою, що вимагає одних і тих же лісогосподарських заходів.

Типи лісів об'єднані в групи асоціацій, тобто групи лісів, потім в класи типів лісів, лісові формації, класи лісових формацій, типи рослинності.

Північна позатропічна рослинність: кущі кедру, рідколісся, шпильковий, березовий, листяний, ліс тайги, дубові, кленові ліси, гірські листяні й шпилькові, субтропічні шпилькові й листяні, лісостепові й степові, пустель і напівпустель, субальпійські чагарникові й різнолісся.

Тропічна рослинність — це вологі вічнозелені тропічні ліси, листопадні тропічні ліси, тропічне рідколісся і савани.

Південна позатропічна рослинність — евкаліптові, вологі підтропічні ліси, рідколісся, широколистяні ліси.

Існує шість зональних типів лісу: шпилькові, змішані, вологі, екваторіальні, тропічні, ліс сухих областей.

Шпилькові (хвойні) ліси холодної зони розташовані в північній півкулі та в зоні тайги: ялина європейська і сибірська, сосна звичайна, модрина, кедр, ялиця.

Мішані ліси помірної зони знаходяться в середній широті північної півкулі — шпильково-широколистяні, широколистяні та ліси лісостепу (бук, дуб, горіх, каштан, липа, клен, береза, сосна, кедр, ялиця, модрина, туя, дугласія). Це ліси, які найбільш інтенсивно експлуатуються.

Вологі ліси теплого помірного клімату трапляються в обох півкулях і в межах субтропічного поясу. Це соснові ліси СІЛА, бук, ясен, горіх, тюльпанне дерево, паперове дерево, евкаліпт.

Екваторіальні дощові ліси (червоне дерево, кедр, бальса, зелене дерево, ебенове дерево, лімбо, ірокс тощо) ростуть у тропічних районах з інтенсивними опадами. Ці ліси інтенсивно експлуатуються для меблевого виробництва.

Тропічні вологі листопадні ліси — це мусонні тропічні ліси Індії, Південної Америки з такими породами, як тик, сал, трояндове дерево, диптерекарпус, червоне і чорне дерево, ангольське дерево.

Ліс сухих областей — це субтропічні шпилькові і листяні дерева та чагарники в сухих субтропіках. Найхарактерніші ліси Середземномор'я.

Лісогосподарська характеристика. Характеристика лісових екосистем — це їх площа, лісистість, запаси деревини.

Лісова площа — це площа, зайнята деревами та чагарниками, які використовуються з лісогосподарською метою. Це громадські, приватні ліси, національні парки і заповідники, лісові культури і плантації (розрахункові лісосіки, площі під дорогами, лісові розсадники, крім міських парків і скверів, садів, лісових пасовищ).

Покрита лісом площа — це лісові ділянки, зайняті деревами, зімкнутість крон яких складає більше 20 %, це природні насадження плюс молодники, лісові культури, захисні лісосмуги.

Екологічна цінність лісу в першу чергу в тому, що ліс — регулятор водного режиму. Зрозумілим стає, чому стік води в Світовий океан щороку катастрофічно збільшується.

Без лісу деградує земля, деградують водні ресурси. Ліс — відновлювач кисню. Він дає атмосфері 6 % кисню. Це легені Землі, які очищають повітря від пилу та інших шкідливих елементів антропогенного походження. Ліс регулює інтенсивність сніготанення і рівень води в ріках, стабілізує склад атмосфери, знижує швидкість вітру, зберігає флору і фауну, мікроорганізми, виділяє фітонциди, оздоровлює довкілля, поглинає шум, має рекреаційне значення.

Лісові екосистеми розподілені нерівномірно. Україна вкрита лісом лише на 5020 млн га, в т. ч. молодників — 53 %, середньовікових — 26 %, достигаючих — 12 %, ділових лісостанів — 10 %. В Україні існує три групи лісів: перша — заповідники, ґрунтозахисні ліси, полезахисні, курортні, зелені зони міста, захисні смуги полів і лісів; друга група — ліс з інтенсивним веденням лісового господарства; третя група — спілі ліси експлуатаційного призначення.

Екосистема трав'яних ландшафтів

Степ — планетарне фізико-географічне утворення. Його площа сягає 6 % суходолу. Степ від Молдови та України тягнеться до Монголії між лісами шпильковими і листяними. Мадярські пушти — це острів степу в Європі. В Америці від Манітоби і Саскачевана до Мексиканської затоки простягаються прерії — Велика рівнина. Степ буває субтропічним, чагарниковим, луговим тощо.

Пасовища і сінокоси — це кормові угіддя, що складають 60 % сільськогосподарських угідь, і їхня площа перевищує площу ріллі. За експертними оцінками щорічно можна отримати 70 млн тонн сіна на природних сінокосах, а на пасовищах — 126 млн тонн. А фактично сіна збирають лише 20 % від потенційно можливого обсягу.

Продуктивність кормових ресурсів сінокосів і пасовищ складає 20—ЗО центнерів на га. Найкращі сінокоси — в заплавах рік, в річкових долинах. Проте у злакових сінокосах площа різко знижується за рахунок ріллі, сільськогосподарських угідь під злакові.

Агробіоценози (агроекосистема) — поле, штучні пасовища, городи, сади, виноградники, плантації горіха, ягідники, квітники, лісопаркові смуги. Основа агробіогеоценозу — це штучний фітоценоз, якість якого залежить від умов середовища, від ґрунту, вологи, мікроорганізмів. Агробіогеоценоз — це 10 % суходолу. Його площа становить 1,2 млн га, які дають людині 90 % продуктів харчування. Без людської праці і агротехніки вони існують лише один рік, а зернові й овочеві, ягідники — 3—4 роки, плодові культури — 20 років, маючи потенційні можливості високої продуктивності. Проте це залежить від культури землеробства.

Водні екосистеми. Екосистема Світового океану складає 70 % земної поверхні. їй притаманні глобальні розміри, безперервність існування. Всі моря і океани пов'язані між собою. Відбувається постійна циркуляція води, чому сприяють хвилі, припливи і відпливи. Океан — екосистема, взаємопов'язана і взаємозумовлена геофізичними і геохімічними процесами.

31. Б1осфера — природна підсистема географічної оболонки, що являє собою глобальну планетарну екосистему (населена живими організмами). Маса біосфери — близько 0,05% маси Землі.

Біосфери на інших планетах, окрім Землі, невідомі. Вважається, що бактеріальні біосфери або подібні до них можуть існувати на Марсі, Венері, Європі, Титані і ймовірно інших малих планетах.

Перші уявлення про біосферу як «область життя» та зовнішню оболонку Землі належать Ж.-Б. Ламарку. Термін «біосфера» вперше застосував австрійський геолог Е.Зюс (1875), називаючи ним окрему оболонку Землі, наповнену життям. Детально вчення про біосферу розробив В. І. Вернадський. У його наукових працях термін «біосфера» вперше з'явився у 1911 pоці. У 1926 pоці він видав книгу «Біосфера», в якій виклав вчення про біосферу як особливу сферу Землі, що включає сферу поширення живої речовини.

Біосфера охоплює нижні шари атмосфери до висоти близько 11 км, всю гідросферу і верхній шар літосфери до глибини 3-11 км на суші й 0,5-1,0 км під дном океану. Товщина біосфери на полюсах Землі близько 10 км, на екваторі — 28 км[1].

Атмосфера Землі — найбільш легка оболонка Землі, що граничить з космічним простором; через атмосферу здійснюється обмін речовини й енергії з космосом. Переважні елементи хімічного складу атмосфери: азот — N2 (78%), кисень — O2 (21%), аргон — Ar (1%), вуглекислий газ — CO2 (0,03%)[1].

Гідросфера — водяна оболонка Землі. У наслідок високої рухливості вода проникає повсюдно в різні природні утворення, навіть найбільш чисті атмосферні води містять від 10 до 50 мг/л розчинних речовин. Переважні елементи хімічного складу гідросфери окрім власне води: йони натрію — Na+, магнію — Mg2+, кальцію Ca2+, хлору — Cl-, сірка — S, вуглець — C. Найважливіша роль в житті живих організмів належить таким елементам, як азот — N, фосфор — P, калій — K, магній — Mg та сірка — S, що засвоюються їми. Головною особливістю океанічної води є те, що основні іони характеризуються постійним співвідношенням у всьому обсязі світового океану[1].

Літосфера — зовнішня тверда оболонка Землі, що складає з осадових і магматичних порід. Поверхневий шар літосфери, у якому здійснюється взаємодія живої матерії з мінеральною (неорганічною), являє собою ґрунт. Залишки організмів після розкладання переходять у гумус (родючу частину ґрунту). Складовими частинами ґрунту служать мінерали, органічні речовини, живі організми, вода, гази. Педосфера — ґрунтова оболонка планети, повністю просякнута живими організмами та складається з продуктів їх життєдіяльності. Переважні елементи хімічного складу літосфери: кисень — O, кремній — Si, алюміній — Al, залізо — Fe, кальцій — Ca, магній — Mg, натрій — Na, калій — K[1].

Рівні організації живої матерії

Молекулярно-генетичний рівень. Елементарна одиниця цього рівня — ген — фрагмент молекули ДНК, в якому записана інформація про первинну структуру однієї білкової молекули. Елементарне явище полягає в процесі редуплікації ДНК. Життєвий субстрат для всіх живих організмів — приблизно 20 різних амінокислот і 5 різних азотистих основ, що входять до складу нуклеїнових кислот. Енергія запасається у молекулах АТФ.

Клітинний рівень. Клітина — елементарна одиниця цього рівня. Елементарне явище виявляється в реакціях клітинного метаболізму, що складають основу потоків речовин, енергії, інформації. Завдяки діяльності клітини речовини, що надходять ззовні, перетворюються в субстрати та енергію, які використовуються в процесі біосинтезу білків та інших сполук, потрібних організму.

Організменний рівень. Рівень організму (організмовий). Елементарна одиниця цього рівня — особина в її розвитку від моменту зародження до припинення існування в якості живої системи. Закономірні зміни організму в індивідуальному розвитку складають елементарне явище даного рівня. Ці зміни забезпечують ріст організму, диференціацію його частин і одночасно інтеграцію розвитку в єдине ціле. В процесі онтогенезу в певних умовах зовнішнього середовища відбувається втілення спадкової інформації.

Популяційно-видовий рівень. Популяція — елементарна одиниця цього рівня. Популяція — це сукупність особин одного виду, що заселяють один ареал протягом тривалого часу і відносно відокремлені від інших популяцій цього ж виду. Об'єднання особин у популяцію відбувається завдяки спільності генофонду, що використовується в процесі статевого розмноження для створення генотипів особин наступних поколінь.

Екосистемний рівень. Елементарна одиниця цього рівня — екосистема (сукупність популяцій різних видів, які заселяють територію з визначеними абіотичними показниками і зв'язані між собою та навколишнім середовищем обміном речовин, енергії та інформації). Екосистеми об'єднані на планеті в єдиний комплекс — біосферу.

Взаємодія з іншими оболонками

Діяльність живих організмів позначається на всіх оболонках Землі:

Атмосфера. Вплив організмів пов'язаний з фотосинтезом. Рослини поглинають вуглекислий газ і виділяють кисень. Тваринний світ можуть тільки насичувати атмосферу вуглекислим газом, поглинаючи кисень для потреб метаболізму. Таким чином організми регулюють вміст цих газів у атмосфері.

Гідросфера. Організми забирають з води морів і океанів необхідні речовини (особливо кальцій) на побудову своїх кістяків, панцирів, черепашок, мушель.

Літосфера. З решток організмів утворюються осадові гірські породи органічного походження (вапняки, торф, кам'яне вугілля), а також деякі форми поверхні (коралові споруди). З іншого боку організми руйнують гірські породи (органічне вивітрювання).

32. Творчість В.Вернадського, його дослідження біосфери і концепція біосфери дає вагомі підстави вважати, що він розглядає біосферу як глобальну оболонку, живі організми в якій, а також людина виявилися могутньою геологічною силою. Хоча В.Вернадський не вживав понять біогеоценоз чи екологічна система, його вважають предтечею екосистемології та біоценології.

В.Вернадський розглядав біосферу як структурно, функціонально і організаційно цілісну систему, що існує в природному оточенні. Він розкрив енергетичну суть біосфери - поглинання і трансформацію сонячної та накопичення вільної енергії, біогеохімічні її процеси - синтез оргінічних речовин і біотичний кругообіг, організаційну її суть - взаємозв"язок і взаємозалежність між усіма структурними - біогенною і абіогенною частинами, вплив на середовище - формування такого внутрішнього середовища, яке забеспечило не лище захист живих істот від руйнівного впливу абіотичного довкілля, а й прогресивний розвиток живого. Такий концептуальний підхід дав підставу послідовникам В.Вернадського кваліфікувати біосферу як екосистему.

Так, Б.Соколов називає біосферу глобальною екосистемою. До живих систем її відносять М.Тимофєєв-Ресовський, М.Будико, М.Камшилов. А.Уголєв. Ю.Одум вважає біосферу найбільшою і найближчою до ідеалу в сенсі самозабезпечення біотичну систему і називає її "екосфера". Він визначає екосферу як саморегульовану систему, що здатна створювати і підтримувати високий ступінь внутрішньої упорядкованості, тобто стан з низькою ентропією.

Визначаючи специфічні характеристики біосфери як глобальної екосистеми, в сучасній спеціальній науковій літературі фахівці (див.М.Голубець) зазначають наступні риси:

Біосфера є унікальною, незамінною і неповторною біотичною системою. Інші екосистеми є взаємозамінними.

Біосфера відрізняється від інших екосистем практично безмежною тривалістю існування. Час існування інших екосистем визначається тривалістю від декількох місяців до сотень і кількот тисяч років. Для біогеоценозів - від тисяч до мільйонів років.

Біосфера зберігає безмежно великий запас генетичної інформації, який накопичувався мільярди років, внаслідок чого ця інформація є практично невичерпною. Генетична пам"ять біосфери- це інтегральна пам"ять всіх екосистем Землі.

Біосфера є найдосконалішою саморегульованою системою з найповнішими механізмами захисту від руйнівного зовнішнього впливу. В процесі еволюції органічного світу в ній виробився не лише ефективний механізм синтезу органічних речовин за рахунок використання сонячної енергії, але й накопичення в атмосфері вільного кисню, формування озонового екрану як одного з найважливіших засобів захисту живого в біосфері.

На відміну від малих екосистем біосфера характеризується величезними запасами вільної енергії, не лише тієї, що є інтегрованою вільною енергією сучасних підпорядкованих їй екосистем, але й вільної енергії, накопиченої екосистемами минулих епох.

Біосфера вирізняється величезнимм різноманіттям життєвих форм, видів, внутрішньовидових структур і екосистем, просторовою і функціональною асиметрією, потужними механізмами самозбереження, прогресивного саморозвитку, постійним зростанням організованості та неентропійності.

Якщо окремі типи екосистем були середовищем виникнення та розвитку приматів, в тому числі людиноподібних і предків людини, то біосфера в цілому стала колискою людини (Homo sapiens), людського роду.

33. Процеси фотосинтезу органічної речовини з неорганічних компонентів триває мільйони років і за такий час хімічні елементи повинні були перейти з однієї форми в іншу. Однак цього не відбувається завдяки їх кругообігу в біосфері. Щорічно фотосинтезуючі організми засвоюють майже 350 млрд т вуглекислого газу, виділяють до атмосфери біля 250 млрд т кисня і розщіплюють 140 млрд т води, утворюючи понад 230 млрд т органічної речовини (в перерахунку на суху вагу).

 

Величезні кількості води проходять через рослини та водорості в процесі забезпечення транспортної функції та випаровування. Це призводить до того, що вода поверхневого шару океану фільтрується планктоном за 40 днів, а вся інша вода океану – приблизно за рік. Весь вуглекислий газ атмосфери поновлюється за декілька сотен років, а кисень за декілька тисяч років. Щорічно фотосинтезом до кругообігу включається 6 млрд т азоту, 210 млрд т фосфору та велика кількість інших елементів (калій, натрий, кальцій, магний, сірка, залізо та ін.). Існування цих кругообігів придає екосистемі певну тривалість.

 

Розрізняють два основних кругообіга: великий (геологічний) і малий (біотичний).

 

Великій кругообіг, триває мільйони років і полягає в тому, що гірські породи підлягають руйнуванню, а продукти вивітрювання (в тому числі розчинні у воді поживні речовини) сносятся потоками води у Світовий океан, де вони утворюють морські напластування і лише частково повертаються на сушу із опадами. Геотектонічні зміни, процеси опускання материків і подняття морського дна, переміщення морів та океанів на протязі тривалого часу призводять до того, що ці напластування повертаються на сушу і процес починається знов.

 

Малий кругообіг (частина великого) відбувається на рівні екосистеми і полягає в тому, що поживні речовини, вода і вуглець акумулюються в речовині рослин, витрачаються на побудову тіла і на життєві процеси як самих цих рослин, так і інших організмів (як правило тварин), що з’їдають ці рослини (консументи). Продукти розпаду органічної речовини під дією деструкторів та мікроорганізмів (бактерії, гриби, черві) знов розлагаются до мінеральних компонентів, доступних рослинам і що втягуються ними у потоки речовини. Кругообіг хімічних речовин з неорганічного середовища через рослинні та тваринні організми назад у неорганічне середовище з використанням сонячної енергії та енергії хімічних реакцій називається біогеохімічним циклом. У такі цикли втягнуті практично всі хімічні елементи і насамперед ті, що беруть участь в побудові живої клітини. Так, тіло людини складається з кисня (62.8%), вуглецю (19.37%), водорода (9.31%), азоту (5.14%), кальцію (1.38%), фосфору (0.64%) та ще приблизно з 30 елементів.

 

3. Кругообіг вуглецю.

 

Самий інтенсивний біогеохімічний цикл – кругообіг вуглецю. В природі вуглець існує в двох основних формах – в карбонатах (вапняках) та вуглекислому газі. Вміст останнього в 50 раз більше, ніж в атмосфері. Вуглець бере участь в утворенні вуглеводів, жирів, білків та нуклеїнових кислот. Основна маса акумульована в карбонатах на дні океану (1016 т), в кристалічних породах (1016 т), кам'яному вугіллі та нафті (1016 т) і бере участь в великому циклі кругообіга. Основна ланка великого кругообігу вуглецю - взаємозв'язок процесів фотосинтезу і аеробного дихання (мал. 1). Інша ланка великого циклу кругообіга вуглецю уявляє собою анаеробне дихання (без доступу кисня); різноманітні види анаеробних бактерій перетворюють органічні сполуки в метан та інші речовини (наприклад, в болотних екосистемах, на смітниках відходів). В малому циклі кругообіга бере участь вуглець, що міститься в рослинних тканинах (около 1011 т) та тканинах тваринних (около 109 т).

 

За останні 200 років відбулися значні зміни в континентальних екосистемах в результаті збільшуючогося антропогенного впливу. Коли землі, зайняті лісами та трав’янистими спільнотами, пертворюються в сільськогосподарські угіддя, органічна речовина, тобто жива речовина рослин і мертва органічна речовина грунтів, окислюється і потрапляє до атмосфери у вигляді. Деяка кількість елементарного вуглеця може також захоронюватись в грунті у вигляді древесного вугілля (як продукт, що залишився від спалювання лісу) і, таким чином, вилучається зі швидкого обігу в вуглецевому циклі. Вміст вуглецю в різних компонентах екосистем змінюється, оскільки поновлення органічної речовини залежить від географічної широти та типа рослинності.

 

Були проведені численні дослідження, що мали своєю метою розв'язати існуючу невизначеність в оцінці змін запасів вуглецю в континентальних екосистемах. Базуючись на даних цих досліджень, можна прийти до висновку, що надходження до атмосфери з 1860 по 1990 рік склало г С і що в 1990 році біотичний викид вуглецю був рівний г С /рік. Крім того, можливий вплив зростаючих атмосферних концентрацій та викидів забруднюючих речовин, таких як і, на інтенсивність фотосинтезу органічної речовини континентальних екосистем. По видимому, інтенсивність фотосинтезу зростає із збільшенням концентрації в атмосфері. Найбільш імовірно, що це зростання характерне для сільськогосподарських культур, а в природних континентальних еко-системах підвищення ефективності використання води могло б призвести до прискорення утворення органічної речовини.

 

4. Колообіг кисня.

В кількісному відношенні головною складовою живої матерії є кисень, кругообіг якого ускладнений його здатністю вступати в різні хімічні реакції, головним чином реакції окислення. В результаті виникає безліч локальних циклів, що відбуваються між атмосферою, гідросферою та літосферою, які в свою чергу можуть бути порушені антропогенним фактором. Кисень, що міститься в атмосфері і в поверхевих мінералах (осадові кальцити, залізні руди), має биогенное походження і повинно розглядатися як продукт фотосинтезу. Цей процес протилежний процесу споживання кисня при диханні, який супроводжується руйнуванням органічних молекул, взаємодією кисня із водородом (отщепленим від субстрата) та утворенням води. В деякому відношенні кругообіг кисня нагадує зворотний кругообіг вуглекислого газу. В основному він відбувається між атмосферою та живими організмами. Споживання атмосферного кисня та його відшкодування рослинами в процесі фотосинтезу здійснюється досить швидко. Розрахунки показують, що для повного поновлення всього атмосферного кисня вимагається біля двох тисяч років. З іншого боку, для того, щоб всі молекули води гідросфери були підвержені фотолизу і знов синтезовані живими організмами, необхідно два мільйони років. Більша частина кисня, що виробляється на протязі геологічних епох, не залишалася в атмосфері, а фіксувалася літосферою у вигляді карбонатів, сульфатів, оксидів заліза, і її маса складає 5,9*1016 т. Маса кисня, що циркулює в біосфері у вигляді газу або сульфатів, розчинених в океанських та континентальних водах, в декілька разів менша (0,4*1016 т).

 

Відзначимо, що, починаючи з певної концентрації, кисень дуже токсичний для клітин і тканин (навіть у аеробних організмів). А живий анаеробний організм не може витримати (це було доведене ще в минулому сторіччі Л. Пастером) концентрацію кисня, що перевищує атмосферну на 1%.

 

5. Кругообіг азоту.

 

Газоподібний азот виникає в результаті реакції окислення аміаку, який утворюється при виверженні вулканів та розкладені біологічних відходів: 4 NH3 + 3 O2 → 2 N2 + 6 H2O.

 

Кругообіг азоту – один з самих складних, але водночас самих ідеальних кругообігів. Незважючи на те, що азот складає біля 80% атмосферного повітря, в більшості випадків він не може бути

 

безпосередньо використаний рослинами, так як вони не засвоюють газоподібний азот. Втручання живих істот у кругообіг азоту підпорядковане суворій иєрархії: лише певні категорії організмів можуть виявляти вплив на окремі фази цього циклу. Газоподібний азот беззупинно надходить до атмосфери в результаті роботи деяких бактерій, тоді як інші бактерії – фіксатори (разом з синьо-зеленими водоростями) постійно поглинають його, преобразуючи в нітрати. Неорганічним шляхом нітрати утворюються й в атмосфері в результаті електричних розрядів під час гроз. Найбільш активні споживачі азоту – бактерії на кореневій системі рослин сімейства бобових. Кожному виду цих рослин притаманні свої особливі бактерії, що перетворюють азот в нітрати. В процесі біологічного циклу нітрат – іони (NO3-) та іони амонію (NH4+), поглинаємі рослинами з грунтової вологи, перетворюються у білки, нуклеїнові кислоти і так далі. Потім утворяться відходи у вигляді загиблих організмів, що є об'єктами життєдіяльності інших бактерій та грибів, перетворюючих їх в аміак. Так виникає новий цикл кругообіга. Існують організми, здатні перетворювати аміак у нітріти, нітрати і в газоподібний азот. Основні ланки кругообіга азоту в біосфері представлені схемою на мал. 3. Біологічна активність організмів доповнюється промисловими засобами отримання азотомістящих органічних та неорганічних речовин, багато з яких застосовуються в якості добрив для підвищення продуктивності та росту рослин. Антропогенний вплив на кругообіг азоту визначається наступними процесами:

Спалювання палива призводить до утворення оксида азоту, а після цього до реакцій:

 

2NO + O2 → 2NO2,

 

4NO2 + 2H2O.+ O2 → 4HNO3, сприяючи випаданню кислотних дощів;

В результаті впливу деяких бактерій на добрива і відходи тваринництва утворюється оксид азото – один з компонентів, утворюючих парниковий ефект;

Видобуток корисних копалин, містящих нітрат – іони і іони аммонія, для виробництва мінеральних добрив;

При збиранні врожая з почви виносяться нітрат – іони і іони аммонія;

Стоки з полей, ферм та каналізацій збільшують кількість нітрат – іонів і іонів аммонія в водных екосистемах, що присорює рост водоростей і інших рослин; при розкладанні яких розходується кислород, що в кінцевому рахунку призводить до загибелі риб.

 

6. Кругообіг фосфору.

 

Фосфор – один з основних компонентів (головним чином у вигляді) живої речовини і входить у склад нуклеїнових кислот (ДНК і РНК), кліточних мембран, аденозінтрифосфата (АТФ) и аденозіндифосфата (АДФ), жирів, кісток і зубів. Кругообіг фосфора, як і інших біогенних елементів, відбувається по великому и малому циклам.

Запасы фосфора, доступні живим істотам, повністю сконцентровані в літосфері. Основні джерела неорганічного фосфора – виверження вулканів або осадові породи. В земній корі вміст фосфора не перевищує 1%, що лімітуює продуктивність екосистем. З пород земної кори неорганічний фосфор залучається в циркуляцію континентальними водами. Він поглинається рослинами, которі при його участі синтезують різні органічні сполуки і таким чином включаються в трофічні ланцюги. Потім органічні фосфаты разом з трупами, відходами та виділеннями живих істот повертаються в землю, де знов підвергаються впливу мікроорганізмів і претворюються в мінеральні форми, які використовуються зеленими рослинами.

 

В екосистемі океана фосфор приноситься текучими водами, що сприяє розвитку фітопланктона і живих організмів.

 

В наземних системах кругообіг фосфора проходить в оптимальних природніх умовах із мінімумом втрат. В океані справа відбувається інакше. Це пов’язано з постійним осіданням (седиментацією) органіческих речовин. Осівший на невеликій глибині органічний фосфор повертається в кругообіг. Фосфати, відкладені на великих морських глибинах не приймають участь в малому кругообігу. Однак тектонічні рухи сприяють підйому осадових порід на поверхню.

 

Таким чином фосфор повільно переміщується з фосфатних родовищ на суші і мілководних океанічних осадів до живих організмів назад (мал. 4).

 

Запаси фосфору на землі малі. Тому вважається, що фосфор – основний фактор, лімітуючий зростання первинної продукції біосфери. Вважають навіть, що фосфор – головний регулятор всіх інших біогеохімічних циклів, це – найбільш слабка ланка в життєвому ланцюзі, що забезпечує існування людини.

 

Антропогенний вплив на круговорот фосфору полягає в наступному:

 

1. Видобуток великих кількостей фосфатних руд для мінеральних добрив та миючих засобів призводить до зменшення кількість фосфору в біотичному кругообігу;

 

2. Стоки з полів, ферм та комунальні відходи призводять до збільшення фосфат – іонів у водосховищах, до різкого зростання водних рослин і порушення рівноваги в водних екосистемах.

 

7. Кругообіг сірки.

 

З природних джерел сірка потрапляє до атмосфери у вигляді сірководня, диоксида сірки і часток сульфатних солей (мал. 5). Біля однієї третини сполук сірки і 99% диоксида сірки – антропогенного походження. В атмосфері протікають реакції, що призводять д