Біогеохімічні цикли як необхідна умова існування біосфери

Володимир Іванович Вернадський (1863– 1945) – український природознавець, філософ􀀞 започаткував такі наукові напрями, як біогеохімія та радіогеологія􀀞 заснував Національну бібліотеку України в Києві (нині – Національна бібліотека України ім. В.І. Вернадського)􀀞 один із засновників Української національної академії наук, її перший президент (1918)

В.І. Вернадський сформулював три біогеохімічні принципи:

1) біогенна міграція хімічних елементів у біосфері завжди проявляє тенденцію до свого максимального прояву􀀞

2) еволюція видів під час історичного розвитку біосфери спрямована на підсилення біогенної міграції атомів􀀞

3) жива речовина перебуває у стані безперервного хімічного обміну з навколишнім середови􀃁ем, яке створюється та підтримується на Землі завдяки космічній енергії Сонця.

Біохімічні функції􀃮 живої речовини.

Газова функція - живі істоти впливають на газовий склад атмосфери, Світового океану і грунту: аеробні організми під час дихання вбирають з довкілля кисень і виділяють вуглекислий газ􀀞 рослини і ціанобактерії в процесі фотосинтезу вбирають вуглекислий газ і виділяють кисень. Окисно-відновна функція за допомогою організмів в атмосферному повітрі, воді й грунті окиснюються та відновлюються певні хімічні сполуки. Наприклад, залізобактерії окиснюють сполуки Феруму, денітрифікуючі – відновлюють нітрати й нітрити до молекулярного азоту чи його оксидів тощо. Концентраційна функція - організми вбирають з довкілля і накопичують у своєму тілі певні хімічні елементи.

Концентраційна функція живої речовини тісно пов’язана з участю організмів у створенні осадових порід: 1 – молюски (а), коралові поліпи (б), форамініфери (в) здатні концентрувати сполуки Кальцію, тому відіграють важливу роль в утворенні покладів вапняків􀀞 2 – деякі радіолярії (г), діатомові водорості (д) накопичують сполуки Силіцію й беруть участь у створенні осадових порід радіоляритів і діатомітів

1. Що таке потік енергії у біосфері?

2. Назвіть основне джерело енергії для біосфери.

3. Які функції живої речовини в біосфері?

4. Назвіть основні закони

функціонування біосфери.

Біосфера є глобальною екосистемою, єдність якої забезпечується переміщенням хімічних елементів і речовин у великому (геологічному) та малому (біологічному) кругообігу. Кругообіг речовин у біосфері має циклічний характер і для біогенних елементів здійснюється у вигляді біогеохімічних циклів.

БІОГЕОХІМІЧНИЙ ЦИКЛ (біогеоцикли) – це перетворення і переміщення хімічного елемента, що відбуваються за сумісної дії біотичних та абіотичних компонентів біосфери. Поняття «біогеохімічних циклів» увів у науку В. І. Вернадський у 1910 р. Рушійними силами цих циклів є потік енергії Сонця і частково енергія геологічних процесів, що відбуваються на планеті.

У біогеоциклах розрізняють дві частини: 1) резервний фонд – з більшою кількістю й масою речовини або елемента та повільнішим обміном; 2) обмінний фонд – з меншою часткою елемента (речовини), що швидко переміщуються по етапах циклу.

Виокремлюють два основні типи біогеоциклів: 1) цикли елементів з резервним фондом в атмосфері або гідросфері (цикли Карбону, Нітрогену, Оксигену); 2) цикли елементів з резервним фондом у літосфері (осадові цикли Фосфору, Сульфуру, Кальцію, Калію, Феруму).

У природі існує два типи колообігу елементів: великий (геологічний) і малий (біологічний).

Великий колообіг полягає в тому, що гірські породи руйнуються й вивітрюються в результаті ерозії, а утворені продукти за допомогою води й вітру зносяться у Світовий океан. Унаслідок цього утворюються морські нашарування, що згодом повертаються на суходіл, і процес починається знову.

Малий колообіг, який є частиною великого, відбувається на рівні екосистем. Біотичні перетворення стали обов’язковою умовою існування біогеохімічних циклів зокрема й біосфери загалом. Серед найважливіших циклів виокремлюють біогеохімічні цикли Карбону, Нітрогену, Гідрогену, Оксигену, Фосфору, Кальцію, Калію, Феруму та ін.

! Біогеохімічний цикл (колообіг речовин) – система незамкнених і незворотних колообігів хімічних речовин у неорганічній природі через організми в органічну природу.

1. Що таке біогеохімічні цикли?

2. Назвіть два типи біогеохімічних циклів.

3. Наведіть приклади ключових біогеоциклів.

4. Назвіть причини порушень біогеоциклів.

Біогеохімічний цикл у біосфері.

Колообіг речовин – це обмін речовинами між абіотичною та біотичною частинами екосистеми. У біосфері постійно триває колообіг води, Карбону, Оксигену, Нітрогену й інших хімічних елементів, що входять до складу організмів.

Біогеохімічний цикл води

Чому біогеоцикли з резервним фондом в атмосфері або гідросфері є досконалішими?

Біогеохімічними циклами елементів з резервним фондом в атмосфері або гідросфері є цикли Карбону, Нітрогену, Оксигену. Ці біогеоцикли є досконалішими тому, що здатні до швидкої саморегуляції. Основним депо для цих циклів є газуваті речовини атмосфери. Для ілюстрації розглянемо цикли Карбону й Нітрогену.

Біогеохімічний цикл Карбону.

Карбон – це основа органічних речовин усіх живих організмів. Особливостями циклу Карбону є:

1) основне депо – газуватий СО₂, а основна доступна форма для організмів – органічні речовини й карбонати;

2) наявність резервного фонду у вигляді СО₂, СН₄, СО в атмосфері та осадових (вапняки, крейда) і горючих (торф, вугілля, нафта) корисних копалин у літосфері; 3) основні біотичні перетворення пов’язані з фотосинтезом, диханням, біоакумуляцією та мінералізацією;

4) абіотичні перетворення відбуваються завдяки процесам розчинення, окиснення, горіння.

Біогеохімічний цикл Нітрогену.

Нітроген - елемент, що входить до складу важливих нітрогеновмісних органічних речовин (амінокислот, білків, нуклеїнових кислот). Основне депо й резервний фонд Нітрогену - це атмосферний азот, а основна доступна форма - нітрати. Біотичні перетворення здійснюються переважно мікроорганізмами в ґрунті. Нітроген стає доступним для живого в результаті азотофіксації, що здійснюють мутуалістичні бульбочкові бактерії й актиноміцети, вільноживучі азотофіксуючі бактерії, пурпурні сіркобактерії й ціанобактерії. Розклад органічних сполук з утворенням амоніаку здійснюється амоніфікувальними бактеріями. Виділений внаслідок амоніфікації амоніак розчиняється у ґрунтових водах і перетворюється на амоній NH₄⁺. Амоніак і сполуки амоніаку здатні до біокаталітичного окиснення з утворенням нітратної і нітритної кислот, що їх використовують нітрифікувальні бактерії в процесі нітрифікації. Завдяки їхній діяльності в ґрунті утворюються нітрити і нітрати. Замикають цикл Нітрогену мікробіологічні процеси денітрифікації, які перетворюють нітрити й нітрати на молекулярний азот, що надходить в атмосферу. Абіотичні перетворення (абіотична фіксація за участі грозових розрядів, утворення й розчинення покладів селітри, окиснення) відбуваються в повітрі та ґрунті.

Отже, біогеохімічні цикли з резервним фондом в атмосфері або гідросфері є досконалішими завдяки великому обмінному фонду газуватих речовин в атмосфері, що й визначає їхній високий ступінь саморегуляції.

1. Яка основна особливість біогеоциклів Карбону й Нітрогену?

2. Чому біогеоцикли з резервним фондом в атмосфері або гідросфері є досконалішими?

Як відбуваються цикли елементів з резервним фондом у літосфері?

Ключовими біогеохімічними циклами цього типу є цикли Фосфору та Сульфуру. Ці осадові цикли є менш досконалими тому, що мають нижчий рівень саморегуляції. Причина полягає в тому, що основна маса речовин із вмістом цих елементів зосереджена в резервному фонді в малодоступній для живих організмів формі. Відповідно обмінний фонд містить меншу частину цих речовин, а за потреби надходження з резервного фонду відбувається повільно, через те такі цикли більш вразливі до порушень.

Біогеохімічний цикл Фосфору. Фосфор належить до макроелементів, що входять до складу нуклеїнових кислот, АТФ, багатьох білків, ліпідів. Основним депо Фосфору є гірські породи і мінерали, а доступною формою - фосфати. Після вивітрювання гірських порід Фосфор у доступній формі надходить до рослин внаслідок мінерального живлення й використовується для асиміляції органічних речовин, що передаються ланцюгами живлення. Після відмирання організмів редуценти здійснюють мінералізацію й перетворюють Фосфор залишків на фосфати, що знову використовуються рослинами. Втрати Фосфору в циклі пов'язані з його винесенням в моря та океани й формуванням порід.

Біогеохімічний цикл Сульфуру. Сульфур є макроелементом, необхідним для синтезу сульфуровмісних амінокислот (метіоніну і цистеїну), вітаміну В1 й деяких ферментів. У живленні рослин посідає третє місце після Нітрогену й Фосфору. Цей цикл включає перетворення, що відбуваються в усіх трьох оболонках - гідро-, літо- й атмосфері. Резервний фонд утворений Сульфуром осадових порід, мінералів, горючих копалин. Основною доступною формою для перетворень є сульфати й H₂S. У вигляді сульфат-іонів Сульфур поглинають рослини й фіксують його у складі органічних речовин. Через рослинну їжу Сульфур потрапляє до тварин. Основні біотичні перетворення здійснюються бактеріями: хемосинтезуючі аеробні сіркобактерії і фотосинтезуючі анаеробні пурпурні сіркобактерії використовують сірководень як джерело Гідрогену, сульфатовідновлювальні бактерії перетворюють сполуки Сульфуру на сульфати (знову використовуються рослинами) або H₂S (надходить в атмосферу). Сірководень й газуваті оксиди Сульфуру в атмосфері зазнають абіотичних перетворень з утворенням сульфатів, які з опадами потрапляють у ґрунт і Океан.

Отже, осадові біогеохімічні цикли з резервним фондом у літосфері є менш досконалими через невеликий обмінний фонд речовин у літосфері, що й визначає їхній невисокий ступінь саморегуляції.

Упродовж тривалого еволюційного розвитку в складі біосфери біогеоцикли стали збалансованими й набули замкненості перетворень у межах обмінного фонду. Проте на сьогодні спостерігаються порушення біогеохімічних циклів у біосфері через діяльність людини. Основними причинами багатьох змін біогеоциклів є:

• вплив на резервний фонд речовин, що містять той чи інший біогенний елемент, пов'язаний з видобуванням і переробкою корисних копалин, спалюванням вугілля, нафти, торфу, природного газу, використанням добрив тощо;

• вплив на видове й екосистемне біорізноманіття, компоненти якого беруть участь у перетвореннях (наприклад, вирубування лісів веде до зміни ступеня фіксації Карбону);

• поява й включення в цикли штучних і чужорідних для біосфери речовин (наприклад, пластмас), які надалі не можуть використовуватися продуцентами, розкладатися редуцентами. Накопичення таких відходів може стати причиною виникнення біогеохімічних циклів нового типу або ускладнення вже існуючих.

Отже, найзагальнішими особливостями біогеохімічних циклів є циклічність, складність, збалансованість, замкненість.

За допомогою таблиці схарактеризуйте ключові біогеохімічні цикли біосфери. Визначте подібність й відмінності між ними.