Біохімічні кругообіги речовини

 

З потоками енергії тісно пов’язані потоки речовини. За рахунок процесів міграції хімічних елементів усі геосфери Землі пов’язані єдиним циклом кругообігу цих елементів. Кругообіг, рушійною силою якого є тектонічні процеси і сонячна енергія, одержав назву великого (геологічного) кругообігу. Потужність великого кругообігу приблизно

На великий (геологічний) кругообіг наклався малий (біогенний) кругообіг речовини. У малому кругообігу переміщаються, в основному, вуглець () і фосфор (). Обидва кругообіги протікають зараз одночасно й тісно пов’язані між собою. Живі організми в біосфері ініціюють кругообіг речовин і призводять до виникнення біогеохімічних циклів.

Біохімічні цикли – це циклічне переміщення біогенних елементів: вуглецю, кисню, водню, азоту, сірки, фосфору, кальцію, калію й ін. від даного компонента біосфери до інших так, що на визначених ділянках цього кругообігу вони входять до складу живої речовини.

Переміщення речовини в біохімічних циклах одночасно забезпечує життєдіяльність живих організмів. Головними оціночними параметрами ефективності й напрямку роботи біогеохімічного циклу є кількість біомаси, її елементарний склад і активне функціонування живих організмів. Хімічні елементи, що беруть участь у будівництві живої речовини і необхідні для його синтезу одержали назву біогенних. Склад абіотичної частини нашої планети приблизно такий: Fe»36%, O₂» 25%, Si» 23%, Mg» 10%, S» 3%, Ni» 2%, інші» 15%.

Склад біомаси зовсім інший: O₂» 70%, C» 15%, H» 11%, інші» 4%.

Принцип циклічності в перетвореннях і переміщеннях речовини в біосфері є основоположним. Зберігання циклічності - умова існування біосфери. Центральне місце в біосфері посідають біохімічні цикли: вуглецю, води, азоту, та фосфору. Ці цикли в найбільшій мірі зазнали трансформації при формуванні техносфери та агросфери, і вивчення їх стало важливою задачею екології.

Стабільність біосфери

 

Біосфера виступає як надзвичайно складна екосистема, яка працює у стаціонарному режимі на основі саморегуляції всіх складових її частин і процесів. Стабільність біосфери заснована на високому рівні розмаїття живих організмів, окремі групи яких виконують різні функції, які забезпечують визначену швидкість фіксації сонячної енергії та біогенної міграції атомів. У нормальному стані будь-якій екосистемі й біосфері в цілому властивий стійкий стан, що має назву гомеостаз, який характеризується динамічною рівновагою між народжуваністю та смертністю, споживанням і звільненням речовини й енергії.

Окремі екосистеми, а отже, і біосфера, постійно піддаються зовнішньому впливу, який намагається вивести їх із рівноваги. Якщо цей вплив не занадто великий, тоді в ході екологічного дублювання, порушені зв’язки замінюються іншими і процес передачі речовини й енергії продовжується. Відповідно до закону внутрішньої динамічної рівноваги - речовина, енергія й інформація в цілому взаємозалежні і будь-яка зміна одного з цих показників викликає зміну всіх інших показників, причому ці зміни відбуваються в напрямку, що забезпечує зберігання загальної суми матеріально-енергетичних і динамічних якостей системи, тобто її стійкість. Згідно принципу Ле-Шательє будь-які зовнішні впливи, що виводять систему зі стану рівноваги, викликають у цій системі процеси, що намагаються послабити зовнішній вплив та повернути систему в початковий рівноважний стан. Таким чином, окремі екосистеми й біосфера в цілому пручаються впливам, які намагаються порушити їх стабільність.

Стабільність біосфери - спроможність біосфери зберігати свій стан, протистояти внутрішнім збуренням, включаючи будь-які антропогенні впливи, шляхом вироблення в ній саморегулюючих механізмів.

Саморегуляція - спроможність природної системи до відновлення внутрішніх властивостей після короткочасного природного або антропогенного впливу. Саморегуляція заснована на принципі зворотних зв’язків окремих складових природних систем, підсистем і екологічних компонентів. Так, наприклад, штучний або природний вплив (полив, дощ, добрива) призвів до різкого зростання їжі для деяких тварин. Чисельність цієї популяції швидко почала зростати, вони стали поїдати весь корм, і незабаром корму стало недостатньо і чисельність даної популяції стала падати. В результаті зворотного зв’язку підтримується динамічна рівновага між потоками речовини й енергії у біосфері й окремих її частинах. До саморегуляції належить і процес самоочищення навколишнього середовища. Самоочищення - спроможність середовища руйнувати, переробляти або переводити в індиферентний стан забруднюючі компоненти природного техногенного й побутового походження, які до неї потрапляють.

Очищення природного середовища від органічних забруднюючих речовин наступає в результаті мінералізації, а від неорганічних - унаслідок хімічних реакцій, що перетворюють їх у нешкідливі мінеральні сполуки. Деякі вищі рослини й мікроорганізми активно очищають середовище від забруднень, розщеплюючи не властиві природі речовини.

Узагальнюючи результати досліджень в області геології, палеонтології, біології й інших природничих наук, В. І. Вернадський прийшов до висновку, що біосфера - це "стійка динамічна система, рівновага якої установилася в основних рисах і незмінно діє протягом 1,5-2 млрд. років ”. В. І. Вернадський показав, що стабільність біосфери за цей час виявляється в сталості її загальної маси (), енергії пов’язаної з живими речовинами () і середнього хімічного складу всього живого. Стабільність біосфери В. І. Вернадський зв’язував із тим, що функції життя в біосфері - біохімічні функції незмінні протягом геологічного часу, і жодна з них не з’явилася знову. Усі функції живих організмів (створення газового середовища, окисні процеси, концентрація хімічних елементів і т. д.) не можуть виконуватися організмами будь-якого одного виду, а тільки їх комплексом. Звідси В. І. Вернадський робить важливий висновок: біосфера Землі сформувалася із самого початку як складна система з величезною кількістю видів, кожний з яких виконує свою роль у загальній системі.

Стабільність біосфери із самого початку була обумовлена її складністю. В. І. Вернадському належить відкриття основного закону біосфери - кількість живої речовини є планетарною константою з часу архейської ери, тобто за весь геологічний час. За цей час живі організми морфологічно змінилися, але кількість живої речовини залишалася незмінною. Як вважав В. І. Вернадський, у складній організації біосфери відбувалися, у межах живої речовини, тільки перегрупування хімічних елементів, а не корінна зміна складу і кількості.

Самоорганізація біосфери

 

Згідно другого закону термодинаміки, якщо розглядати Всесвіт як закриту систему, вона йде до своєї неминучої дезінтеграції, так як запас концентрованої енергії, за рахунок якої відбуваються усі процеси в біосфері, рано чи пізно буде вичерпаний. Якщо запас корисної енергії у системі зменшується, то її здатність підтримувати організовані структури слабішає. Високоорганізовані структури розпадаються на менш організовані. Міра внутрішньої невпорядкованості системи - ентропія - зростає. Другий закон термодинаміки передбачає все більш однорідне майбутнє навколишнього середовища.

Теорія еволюції органічного світу розглядає біосферу як відкриту систему, яка знаходиться в не рівноважному стані й обмінюється речовиною, енергією й інформацією з навколишнім середовищем. Термодинаміка відкритих систем вивчає не рівноважні процеси. В їх описанні ключову роль відіграє поняття зменшення ентропії системи за рахунок процесів, які відбуваються у середині неї. Відкриті системи безупинно флуктують. Іноді окрема флуктуація може стати (у результаті позитивного зворотного зв’язку) настільки сильною, що організація, яка існувала раніше,не витримує й руйнується. У цей переломний момент, у точці біфуркації, принципово неможливо пророчити, в якому напрямку буде відбуватися подальший розвиток: чи стане стан системи хаотичним, чи вона перейде на новий, більш високий рівень організації. Під дією випадкових чинників і добору відбуваються повільні кількісні зміни параметрів системи, що розвивається (еволюційний розвиток), а потім наступає перехід у новий стан (біфуркаційний розвиток). Біфуркаційні процеси роблять процес еволюції незворотнім. Біфуркаційний механізм розвитку підтверджує можливість спонтанного виникнення порядку й організованості з безладдя й хаосу в результаті процесу самоорганізації. Хід розвитку біосфери зовсім не призводить до пониження рівня організації й зменшення різноманіття форм організмів та їх угрупувань; розвиток живої матерії відбувається від нижчих форм до вищих. Здатність відкритих систем до самоорганізації – одне з величезніших досягнень сучасної фізики. Очевидно, що при існуючих космічних і земних передумовах жива речовина біосфери здатна продовжувати свій “тиск ” на зовнішні оболонки Землі й потенціал цього тиску аж ніяк не слабшає.

Антропогенний фактор, який викликає деградацію біосфери, слід розглядати як флуктуацію, викликану популяційним вибухом, який по законам регулювання, неминуче буде елімінований. Система - «суспільство – природа», по теорії Пригожина, досягнувши точки буфіркації, повинна буде перебудуватися. Біфуркація – це імпульс до розвитку біосфери по-новому, невідомому шляху. Яке місце в ньому посяде людство – це предмет спеціальних досліджень. Що ж до біосфери, то за її судьбу можна не хвилюватися, вона продовжить свій розвиток.

 

Практична частина

Приклади розв’язання задач

Приклад 1.2.1. Маса зразка ґрунту, взятого для аналізу, після висушування при 100^о С протягом години зменшилась з 25г. до 15,8г. При подальшому витримуванні зразка при 500^о С протягом години його маса зменшилась ще на 2,5г. За допомогою розрахунків дайте відповідь на запитання, до якого типу ґрунтів відноситься даний зразок і чи буде такий ґрунт лімітуючим фактором для рослини?

Розв’язання: При температурі100^о С із ґрунту випарювалася вода. Розрахуємо кількість води, яка випарилася: m = 25 – 15,8 = 9,2 (г)

При температурі500^о С із ґрунту вигоряє органіка. Таким чином, кількість органіки у ґрунті: m₁= 2,5г.

Розрахуємо % гуміфікації ґрунту:

15,8г -------------100%

2,5г ---------------Х%, тоді: Х= 2,5· 100 / 15,8 =15,8 (%)

При утриманні у ґрунті гумусу від 7% до 14% це чорноземи. Наш ґрунт вміщує 15,8 % гумусу – це чорнозем.

Відповідь: даний зразок ґрунту відноситься до чорнозему і такий ґрунт не буде лімітуючим фактором для рослини.

Приклад1.2. 2. Розрахуйте глибину водоймища, на якому можливий фотосинтез, якщо оптична густина проби води, виміряна у кюветі з товщиною слою L= 0,5см з синім фільтром дорівнює D=0,125. Чи достатня ця глибина, щоб рентабельно було розводити травоїдних коропових риб, якщо площа водоймища S=300м², а середня концентрація водоростей – ρ=100кг/м³.

Розв’язання: Найбільша глибина водоймища, на якому можливий фотосинтез розраховується за формулою: В=1,3· L/D, де В – глибина у см., L – товщина кювети у см., 1,3 – оптична густина при пропусканні 5% світла, яке падає, D – оптична густина зразка води:

В=1,3·0,5/0,125=5,2(см).

Обчислюємо об’єм водоймища, на якому можливий фотосинтез:

V=В·S = 0,052·300= 15,6(м³).

Обчислюємо масу рослинної продукції:

М= V·ρ = 15,6·100= 1560(кг)

Оскільки тільки 10% енергії рослинної продукції буде зосереджено у тваринній продукції, то валова кількість тваринної продукції буде:

М₁ = 1560·0,1=156кг.

Відповідь: Глибина водоймища, на якому можливий фотосинтез В=5,2см достатня для рентабельного розведення коропових риб.

Завдання для самостійного вирішення

 

Задача 1.2.1. Об¢єм водосховища складає 28000 м³. Річний стік – 25000 м³. Вміст мінеральних речовин у воді річки 989 г/л. Який вміст мінеральних речовин водосховища?

Задача1.2.2. На титрування проби води об'ємом 0,5 мл, узятої з водоймища, витрачено 20мл. 0,1Н. розчину гідроокису натрію. Враховуючи, що допустимі норми рН водоймищ 6,5 - 8,5 одиниць, покажіть, чи придатна вода заводу для побутових потреб?.

Задача 1.2.3. При прожарюванні зразка ґрунту при 500 ⁰С протягом години його маса зменшилася з 25 г до 15 г. Чи можна з упевненістю назвати цей ґрунт родючим? Які можуть бути причини такого зменшення маси при прожарюванні? Приведіть розрахунок.

Задача 1.2.4. Концентрація органічних забруднень у водоймищі площею 280 м² і завглибшки 1 м складає 2 г/л. Розрахуйте, який час необхідно насосу продуктивністю 500 м³/час нагнітати повітря для аерації водоймища, щоб повністю окислити його забруднювачі.

Задача1.2.5. Щохвилини кожен 1см² земної поверхні одержує приблизно 0,5 кал. сонячної енергії. Скільки часу потрібно, щоб у 10 листках утворилося 1,8 г глюкози, якщо площа кожного листка складає 10 см², а сонячна енергія використовується на 1%.

Задача 1.2.6. Поясніть, чому при величезній кількості вуглекислого газу, що щорічно поступає в атмосферу при спалюванні всіх видів палива, його вміст в атмосфері залишається приблизно постійним (0,03%)? Як він утилізується і на що перетворюється?

Задача 1.2.7. Пасовище дає щорічний урожай в 150 ц зеленої маси. Скількох чоловік протягом року може прогодувати це пасовище за умови, що вони харчуватимуться тільки м'ясом худоби, що пасеться на ньому? Корова щодня з'їдає 5 кг трави. Людина в місяць з'їдає 5 кг м'яса. Середня вага корови 200 кг.

Задача 1.2.8. Під дією сонячного світла біомаса зеленої рослини збільшилася на 12 мг. Розрахуйте вартість електроенергії, необхідної для вирощування 1 тонни зеленої маси в теплиці.

Задача 1.2.9. Розрахуйте, яка повинна бути мінімальна біомаса кімнатних рослин, щоб забезпечити киснем для дихання екіпаж з 5 чоловік в замкнутому просторі. Яке освітлення при цьому повинне бути?

Задача 1.2.10. Населення селища складає 12 тис. людей. Площа оточуючої його зеленої зони - 150 га. Розрахуйте, чи досить цих рослин, щоб повністю забезпечити населення селища киснем для дихання.

Довідкова частина

 

1.2.1. Кожній людині в рік необхідно 106 ккал енергії їжі.

1.2.2. Калорійність 1 кг м'яса - 5450 кКал.

1.2.3. Глибина водоймища, на якому можливий фотосинтез розраховується за формулою: В=1,3· L/D, де В – глибина у см., L – товщина кювети у см., D – оптична густина проби води.

1.2.4. 1кДж=2,78*10^-4 кВт*ч.

1.2.5. Вартість 1 кВт*час складає 0,243 гривень.

1 кДж = 4,19 ккал.

1.2.6. Захворювання, викликане свинцевим отруєнням, виникає при середній концентрації свинцю в тілі 20 мг/кг.

1.2.7. При утворенні 300 кг водоростей на 1 м³ води починаються

авторифікаційні процеси.

1.2.8. Тільки 1% енергії падаючого світла в середньому іде на створення біомаси.

1.2.9. Між середньою мінералізацією води у водосховищі Ф_МВ і середньою мінералізацією води в річці Ф_МР є наступна залежність:

Ф_МВ /Ф_МР = 0,99-0,26/К, де К - ступінь проточності, К = Vмв/Vрс;

Vмв – об¢єм водосховища, м³; Vрс – річний стік, м³

. 1.2.10. При різних значеннях нормальності розчини реагують між собою в об'ємах, згідно пропорціям: N_к •V_к = N_осн•V_осн,

N_к – нормальність кислоти; V_к – об'єм кислоти;

N_осн – нормальність основи; V_осн – об'єм основи.