Біологія 11 клас

РОЗДІЛ ІІ НАДОРГАНІЗМОВІ РІВНІ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ


ТЕМА 1. ПОПУЛЯЦІЯ. ЕКОСИСТЕМА. БІОСФЕРА

 

§ 35. БІОГЕОХІМІЧНІ ЦИКЛИ ЯК ОСНОВА БІОСФЕРИ


Терміни і поняття: біогенна міграція хімічних елементів; нітрифікуючі та денітрифікуючі бактерії; азотобактерії; енергетичний баланс Землі.

Як відбувається кругообіг речовини. Зелені рослини, поглинаючи світлову енергію Сонця, з найпростіших неорганічних сполук (води, вуглекислого газу та мінеральних солей) синтезують органічні речовини — первинну продукцію для тварин, грибів і бактерій усієї планети. Тварини перетворюють первинну продукцію у вторинну. Сапротрофні (від грец. сапрос — гнилий і трофос — їжа) бактерії і гриби руйнують первинну рослинну і вторинну тваринну продукцію, що залишилася від померлих організмів, знову до простих неорганічних сполук. Таким чином, зелені рослини є виробниками органічної речовини, тварини — її споживачами, а бактерії і багато грибів — руйнівниками.

На Землі щомиті вмирають мільйони організмів. Тому розкладання органічних сполук на мінеральні речовини під час гниття мертвих тіл рослин і тварин є одним з найбільш глобальних процесів у біосфері. (Саме тому видатний мікробіолог Л. Пастер назвав бактерії «великими гробарями природи».) У ході цього процесу в атмосферу виділяється велика кількість вуглекислого газу та водню. Мікроорганізми беруть активну участь у геохімічних процесах і кругообігу речовин у біосфері, а також у виведенні речовин з круговороту і накопиченні їх покладів у земній корі.

Принципова схема кругообігу речовини у біосфері виглядає таким чином: неорганічні речовини —► органічні сполуки —► неорганічні речовини. У цей процес залучено як багато найпростіших неорганічних сполук, так і всі хімічні елементи, що постійно входять до складу живих організмів.

Кругообіг води. Вода — одна з найдинамічніших сполук. Вона перебуває у постійному русі — переходить з одного стану в інший. Її кругообіг надзвичайно важливий для всього живого. Випаровуючись з поверхні океану, прісноводних водойм, ґрунту і рослин, вода спочатку накопичується в атмосфері, а потім випадає на земну поверхню у вигляді опадів. Власне, це і є найпростішою схемою кругообігу води (мал. 144). У результаті кількість води на Землі залишається постійною. Змінюються її властивості (з солоної вона стає прісною) і фізичний стан, який може бути газуватим, рідким і твердим. У Світовий океан потрапляє 80 % опадів. Однак цінність для живого передусім мають ті 20 % води, що у вигляді опадів потрапляють на суходіл, оскільки саме прісна вода підтримує основну масу живої речовини на планеті. Частина води, що випала на суходіл, збираючись у потічки, річечки і річки, з часом повертається у Світовий океан. Однак друга частина її наводнює ґрунт і поповнює запаси ґрунтових вод. З ґрунту воду беруть рослини, а потім випаровують її завдяки механізмам транспірації.

Біогенна міграція атомів. У біосфері відбувається постійна міграція хімічних елементів, їх переміщення від одного виду організмів до іншого. Ця міграція здійснюється за безпосередньої участі мікроорганізмів, рослин і тварин і являє собою постійний кругообіг хімічних елементів, які переходять з організму в організм, потім у неживу природу і знову до організмів. Завдяки механізму кругообігу в біосфері підтримується відносно постійна кількість хімічних елементів і найпростіших хімічних сполук: вони нікуди не зникають і нізвідки не беруться.

У кругообігу речовин у біосфері беруть участь ті самі елементи, що входять до складу живих організмів. Для біогенної міграції характерне нагромадження хімічних елементів у живих організмах з подальшим їх вивільненням або у процесі життєдіяльності, або після смерті в результаті розкладання решток. Цей біологічний кругообіг — накопичення хімічних елементів у живих організмах та мінералізацію в неживій природі можна спостерігати у кожному біоценозі.

Міграції атомів планетою сприяють розселення та пересування організмів. Перенесення хімічних елементів відбувається не тільки дальніми міграціями птахів, риб і комах, а й під час виходу личинок комах, які розвиваються у водному середовищі, на суходіл у вигляді імаго. Останнє дуже важливе, оскільки вода постійно змиває розчинні неорганічні сполуки у Світовий океан, і якщо б не було зворотної міграції, у ґрунті неминуче виник би дефіцит багатьох хімічних елементів.

Розрізняють два типи біогенної міграції атомів: перший здійснюється завдяки мікроорганізмам, другий — завдяки багатоклітинним організмам. При цьому значущість першого на планеті набагато більша, ніж другого.

Кругообіг Оксигену (мал. 145). Вільний кисень земної атмосфери є продуктом процесу фотосинтезу зелених рослин. Його загальна кількість в атмосфері відображає баланс між продукуванням кисню і процесами окиснення, у тому числі й процесу дихання. Кисень — найактивніший з газів, що постійно перебувають в атмосфері. Тому обмін киснем середовища життя з організмами протікає дуже швидко. Нині вільний кисень в атмосфері виявився збалансованим, оскільки кількість



Мал. 144. Кругообіг води у біосфері.

 


Мал. 145. Кругообіг Оксигену і Карбону в біосфері.


виробленого кисню дорівнює кількості кисню, що поглинається.

Кругообіг Карбону (мал. 145). Вуглець у біосфері часто представлений найрухомішою формою — вуглекислим газом. Джерелом вуглекислоти є окиснення органічних сполук у результаті пожеж, спалювання палива та дихання живих організмів. З атмосфери СО2 поглинають рослини. Це відбувається в процесі фотосинтезу з утворенням органічних речовин, які або окиснюються до вуглекислоти під час дихання, або розкладаються бактеріями до найпростіших неорганічних сполук, у тому числі й вуглекислоти.

Якщо у біосфері накопичується значна кількість сполук Карбону, він залягає в літосфері у вигляді торфу, вугілля, сланців, нафти, газу, осадових порід. Цей процес відбувався сотні мільйонів років тому, коли значна частина органічної речовини не використовувалася ні консументами, ні редуцентами, а накопичувалася під різними мінеральними опадами. Перебуваючи глибоко під землею впродовж мільйонів років, детрит під впливом високих температур і тиску перетворився на нафту, природний газ і вугілля. Якщо б не цей період розвитку біосфери, то людство нині мало б зовсім інші джерела енергії й цілком можливо, що цивілізація розвивалася у зовсім іншому напрямі. Тепер же завдяки величезній кількості викопного палива його цілком вистачає для забезпечення потреб людства в енергії. Спалюючи його, людство у певному сенсі повертає його в кругообіг вуглецю.

Кругообіг Нітрогену (мал. 146). Під час розкладання органічних речовин значна частина азоту, що в них міститься, перетворюється на аміак, який під впливом нітрифікуючих (від лат. нітрум — селітра і фаціо — роблю) бактерій, котрі живуть у ґрунті, перетворюється на азотну кислоту (HNО3). Остання, вступаючи у хімічні реакції, утворює розчинні нітрати.

Деяка частина вільного азоту, що утворюється у процесі гниття організмів, потрапляє в атмосферу. Туди виділяється також азот, який утворюється у процесі спалювання дров, кам’яного вугілля, торфу. Крім того, вільний азот в атмосферу виділяється завдяки діяльності денітрифікуючих бактерій, здатних руйнувати нітрати.

Отже, очевидно, що не весь азот, який входив до складу загиблих рослин і тварин, повертається у ґрунт. Безперервна втрата ним азотних сполук могла б призвести до припинення життя, якби не існували процеси, що відновлюють втрати азоту ґрунтом.



Мал. 146. Кругообіг Нітрогену в біосфері.


 До них, зокрема, належать атмосферні електричні розряди, при яких завжди утворюється певна кількість оксидів азоту. Взаємодіючи з парами води, вони утворюють азотну кислоту, що у ґрунті перетворюється у нітрати.

Важливим джерелом поповнення азотних сполук ґрунту є азотобактерії, що мають унікальну здатність — засвоювати атмосферний азот. Найвідоміші з них — так звані бульбочкові бактерії, що поселяються на коренях рослин родини бобових, викликаючи утворення «бульбочок». Засвоюючи атмосферний азот, вони переробляють його в азотні сполуки, котрі рослини, у свою чергу, перетворюють у білки, нуклеїнові кислоти та інші органічні речовини. Таким чином, у природі відбувається безперервний кругообіг азоту.

Щороку з урожаєм з полів вивозять рослини. Через це повернення у ґрунт сполук азоту в агроценозах дуже обмежене. Тому під час орання земель у ґрунт обов’язково вносять органічні або мінеральні добрива, відшкодовуючи таким чином втрати ним хімічних елементів, насамперед азоту, котрий є важливою складовою мінерального живлення рослин.

Чим виробництво відрізняється від кругообігу речовини в природі. Виробничу діяльність людини цілком можна розглядати як перетворення речовин або як міграцію хімічних елементів. Чудовою ілюстрацією є такий виробничий цикл: отримання заліза з руди, виплавлення сталі, виготовлення деталей і складання з них автомобіля, потім корозія і перетворення автомобіля у брухт. Певна аналогія з перетворенням речовин у біосфері є, проте мають місце і принципові відмінності.

У біосфері перетворення речовин здійснюється замкненим колом; це — безвідходне виробництво, оскільки кожна утворена речовина включається у новий цикл. У виробничій діяльності людини цикли не замкнуті, у кінцевому підсумку з’являється величезна кількість непотрібних людині і незатребуваних природою речей — відходів виробництва. Рано чи пізно вони руйнують природні середовища життя. Чудовою ілюстрацією цього є викинуті пластикові пляшки, поліетилен або радіоактивні відходи ядерних реакторів. Саме тому для того, щоб уникнути забруднення навколишнього середовища, необхідно будувати замкнуті виробничі цикли з безвідходним виробництвом.

Сучасна виробнича діяльність людини нагадує організм, у якого через мутації генів, що кодують ферменти, порушено процес метаболізму. Наслідком цього є накопичення метаболітів — непотрібних і небезпечних речовин. Кінцевий результат очевидний: організм хворіє і гине.

Біосфера і перетворення енергії. Біосфера є відкритою системою, до якої ззовні постійно вливається потік сонячної енергії. Частина її використовується для створення і підтримання живої речовини, а частина втрачається. Співвідношення енергії, що надходить і втрачається, прийнято називати енергетичним балансом Землі. Розрахунки показують, що 42 % енергії Сонця відбивається Землею у світовий простір, 58 % поглинають атмосфера і ґрунт. З цієї кількості енергії поверхня планети випромінює понад 20 %. 10 % витрачається на випаровування води з водного дзеркала Світового океану.

Падаючу на Землю сонячну енергію акумулюють (від лат. аккумуляціо — накопичення) зелені рослини у вигляді потенційної енергії хімічних зв’язків. Із синтезованою ними органічною речовиною вона надходить в інші організми, де витрачається, переходячи в кінетичну, або накопичується у вигляді потенційної (пригадайте: перехід з одного трофічного рівня на інший призводить до зменшення потенційної енергії у 10 і більше раз). Колосальну потужність сонячної енергії, яка падає на Землю, допомагають уявити такі цифри. Рослини земної кулі продукують протягом року близько 100 млрд т органічних речовин. При цьому вони поглинають близько 1,7 х 108 т вуглекислого газу, виділяють близько 11,5 х 107 т кисню і випаровують 1,6 х 1013т води.

Основу біосфери формують циклічні потоки речовини, які пов’язані з біогенними міграціями хімічних елементів і супроводжуються перетвореннями енергії.





Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити