Кругообіг речовин в біосфері

2. Кругообіг речовин в біосфері.

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). Більш докладна схема кругообігу представлена на мал. 2.

	Енергія сонця

Спалювання і Тепло Тепло

вивітрювання

Мал. 1. Кругообіг углерода в процесах фотосинтеза і аеробного дихання.

Розчинюється

в дощовій

воді

 

Мал. 2. Колообіг вуглеця.

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.