Головна Головна -> Підручники -> Підручник Загальне землезнавство (Лекції) скачати онлайн-> 3. Кругообіг речовини і потік енергії в природі

3. Кругообіг речовини і потік енергії в природі



3. Кругообіг речовини і потік енергії в природі

Кількість речовини, що втягується в біосферні процеси залишається постійною протягом тривалого часу (цілих геологічних періодів) і таким чином в межах біосфери відбувається багатократний кругообіг речовин. Звичайно, внаслідок геологічних змін частина речовини біосфери може надовго виключатись з цього кругообігу. Наприклад, вапняки, кам’яне вугілля, нафта можуть на багато тисячоліть законсервуватись в земній корі. З іншої сторони підняття на поверхню глибинних шарів Землі створює умови для включення в біосферний кругообіг нових мас планети. Проте, взагалі за певний проміжок часу одна і та ж речовина біосфери здійснює багато циклів. Розрізняють два головних типи кругообігу: великий (геологічний) і малий (біологічний). Геологічний кругообіг відбувається повільно і живі організми тут відіграють другорядну роль.
В біологічному кругообігу речовини живі організми відіграють основну роль. До головних біогеохімічних циклів відносять цикли: С, О ,Н2О, N, P, S, біогенних катіонів.
Кругообіг вуглецю. Основним елементом живих організмів Землі є вуглець, який входить до складу органічних сполук – білків, жирів, вуглеводів. Джерела вуглецю в природі багаточисленні і різноманітні і лише СО2, що знаходиться в газоподібному чи розчиненому стані (в океані його в 50 разів більше, ніж в атмосфері) є тим джерелом С, який служить основою для переробки його в органічну речовину живих істот. Захоплений рослинами СО2 в процесі фотосинтезу перетворюється в цукри, а іншими процесами біосинтезу в протеїди, ліпіди, та ін. Ці речовини служать вуглецевим живленням тваринам і рослинам. З іншої сторони всі організми в процесі дихання виділяють в атмосферу вуглець з СО2. В певних умовах нагромаджуються відмерлі рослинні і тваринні рештки, що сповільнюють кругообіг вуглецю. Тварини – сапрофаги і сапрофітні мікроорганізми, що проживають в грунті, перетворюють ці рештки в гумус.
Іноді ланцюг буває короткий і неповний: ланцюг сапрофагів не функціонує внаслідок недостачі повітря або високої кислотності: органічні рештки нагромаджуються і утворюються торфові болота, в деяких з них з пишним покривом моху Sphagnum шар торфу може досягати 20 м і більше. Тут і припиняється кругообіг. У воді СО2 накопичується у формі СаСО3 хімічного або біогенного походження. Часто ці маси С залишаються поза кругообігом поки СаСО3 у вигляді гірських масивів не підніметься над поверхнею моря. З цього часу починається надходження С і Са в кругообіг. Воно здійснюється в процесі вилуговування вапняків під впливом лишайниково-злакових рослин.
Повний гіпотетичний кругообіг атмосферного вуглецю (СО2) може відбутись всього за 300 років.
Кругообіг азоту. Незважаючи на велику складність, цей кругообіг здійснюється досить швидко і безперешкодно. У повітрі міститься 78% азоту і воно служить одночасно і великим вмістищем і запобіжним клапаном системи, безперервно і в різних формах живить кругообіг азоту.
Крім, того електричні розряди синтезують із атмосферного азоту і кисню окисли азоту, а останні, попадаючи в грунт з дощовими водами, нагромаджують у формі селітри або HNO3 від 4 до 10 кг (N2 на 1 га/рік). Однак найбільша кількість цього елементу поступає в екологічну систему завдяки діяльності мікроорганізмів —фіксаторів N2. Цю функцію виконують бактерії (аеробні та анаеробні), які фіксують атмосферний азот. При їх відмиранні грунт збагачується ще на 25 кг N2/рік на 1 га. Великий ефект дають бактерії, що живуть в симбіозі з бобовими рослинами в бульбочках на коренях цих рослин. (Rhizobium) з допомогою молібдену, що служить каталізатором і особливої форми гемоглобіну (виняткове явище в рослинному світі) ці бактерії асимілюють велику кількість азоту.
Нітрати, що при цьому утворюються, дифундують в ризосферу (грунт, прилеглий до кореневої системи), крім того азот проникає в наземні органи рослини-хазяїна. Завдяки цьому бобові дуже багаті протеїдами і дуже поживні для травоїдних тварин. Річний запас N2 досягає в конюшині і люцерні 150-400 кг/га.
Інші бактерії, що фіксують атмосферний азот, також живуть в симбіозі з вищими рослинами. До них належать бактерії із сімейства Rubiaceae, що утворюють в тропіках на листках невеликі пухирці, які фіксують N2. І у водному середовищі фіксацію N2 із повітря здійснюють деякі синьо-зелені водорості, вони ж здійснюють і фотосинтез. Азот із різних джерел поступає до коренів у формі нітратів, останні транспортуються в листя, де використовуються для синтезування протеїнів. Ці протеїни служать основою азотного живлення тварин. Після смерті протеїни також використовуються, бо трупи є основою цілого ланцюга живлення організмів, які розкладають органіку і поступово переводять азот із органічних у мінеральні сполуки, тобто з нітратних форм у аміачні. Закінчується ланцюг діяльністю організмів, що утворюють аміак (NH3), який далі може ввійти в цикл нітрифікації. З другої сторони бактерії-денітрифікатори постійно віддають N в атмосферу, вони розкладають нітрати в N2, який звітрюється, тобто іон NO3 до N2. Але діють ці бактерії в грунтах і розкладають лише 20% загального N2 (тобто щорічно звітрюється 50-60 кг N2/1 га).
Азот може вийти з кругообігу, попавши в глибоководні океанічні осадки. Але перш ніж туди попасти, частина N2 буде захоплена організмами морського фітопланктону, в той же час він, як і фосфор ввійде в цикл живлення м’ясоїдних, що закінчується рибами, які служать поживою птахам і ссавцям. Ця частина N2 попадає із екскрементами птахів і ссавців на поверхню материків (гуано), хоча даний процес має значення в умовах сухого клімату. Вирішальне значення для обміну речовин мають сірка і фосфор.
Кругообіг фосфору. Запаси фосфору, що доступні живим організ­мам повністю зосереджені в літосфері. Найбільше фосфору в апати­тах і фосфоритах. Неорганічний фосфор з порід земної кори втягує­ться в циркуляції вилуговуванням і розчиненням і таким чином попа­дає в екосистеми, поглинається рослинами, що синтезують за його участю різні органічні сполуки. Під час відмирання органіки фосфати разом з відходами повертаються в землю, де знову зазнають впливу мікроорганізмів і перетворюються в мінеральні ортофосфати, готови­ми до споживання зеленими рослинами та іншими автотрофами.
У водні басейни фосфор приноситься текучими водами, що сприяють розвитку фітопланктону та інших організмів. У всіх водних екосистемах, як і на суші, фосфор трапляється у чотирьох формах, відповідно нерозчинних і розчинних: органічні фосфати, головним чином з мертвої органіки, органічні фосфати, мінеральні ортофосфати, органічні фосфати біомаси. Кругообіг фосфору в біосфері не замикається (Ф.Рамад, 1981). В океані дещо інакше. Це пов’язане з безперервною седиментацією органіки, зокрема збагачення фосфором трупів риб, рештки яких постійно накопичую­ ться на дні. Отже, фосфати, що відклались на великих глибинах, виключаються з кругообігу.
Якщо розглядати кругообіг фосфору за короткий період, то спостерігається, що він повністю не замкнутий. Відбувається часткове повернення фосфору на сушу, переважно з допомогою морських птахів, що живляться рибою. Перуанські поклади гуано свідчать про значний масштаб цього явища в деяких районах. Завдяки рибальству на сушу також поступає невелика кількість фосфору. Людина вносить в грунт фосфор у вигляді добрив.
Від стану кругообігу фосфору залежить кількість нітратів у воді і О2 в атмосфері.
Кругообіг сірки. Переважна частина кругообігу відбувається у грунті і воді. Основним джерелом для живих організмів є сульфіди і сульфати (пірит – FeS2, халькопірит —CuFeS2, гіпс, ангідрит) та продукти розкладу органіки рослин. Більшість сульфатів добре розчиняється у воді і це полегшує доступ S в екосистеми. Поглинаючи сульфати з грунту, рослини виробляють сірковмісні амінокислоти (цистин, цистеїн). Відмираючи, органіка розкладається гетеротрофними бактеріями, які в кінці кінців виробляють H2S і з сульфопротеїнів, що містяться в грунті. З іншої сторони є бактерії, які здатні знову окисляти H2S до сульфатів, що збільшує запас S, доступної продуцентам. Таким чином, сірка знову повертається в грунт. Крім S органічного походження, рослини можуть вводити в цикл значну кількість S, що переноситься повітряними течіями і дощовою водою з промислових районів (дими). Це дає від 3 до 260 кг S на 1 га/рік.
Остання фаза кругообігу сірки повністю осадова, тобто вона випадає в осадок в анаеробних умовах при наявності Fe. Таким чином, процес закінчується повільним і поступовим накопиченням сірки в осадових породах. Утворення сполук S із Fe в літосфері супроводжується виділенням розчинних форм Р.
Кругообіг води. Великий кругообіг води на поверхні земної кулі добре відомий: випаровування – атмосферна волога – опади – стік і т.д.
Рослинність виконує екрануючу функцію, перехоплюючи частину опадів ще до того, як вони досягнуть грунту і випаровує її в атмосферу. Вода, що проникає крізь крони дерев і стікає по стеблах, досягаючи грунту, просочується в нього або стікає. Частина інфільтраційної води затримується в грунті, причому тим сильніше, чим значніший грунтовий колоїдальний комплекс. Частина води, що промиває грунт на глибину 20-30 см може знову піднятись по капілярах на поверхню і випаруватись. Вода, всмоктана коренями рослин, транспірується в атмосферу листям.
Кількість води, що транспірується рослинами велика. Один га лісу випаровує за день від 25 до 50 тонн. Один га пшениці використовує за період розвитку 3750 т води, що складає 375 мм опадів, а продукує 12,5 сухої речовини.
В цілому рослини поглинають і транспірують біля 38% загальної кількості випадаючих опадів. Вода проходить через екосистему майже без втрат, лише 1% води, що випадає у вигляді опадів, йде на формування біомаси.
Кругообіг біогенних елементів. Крім C, N, H, O2, P, S організмам необхідні катіони K, Ca, Mg, іноді Na-макроелементи. Fe, Br, Zn, Cu ,Mn, Mo і аніон Cl-мікроелементи, вони потрібні лише в мільйонних частках сухої речовини. На суші головним джерелом біогенних катіонів служить грунт, де катіони адсорбуються корінням, а потім розподіляються по різних частинах рослин, в найбільшій кількості в листі. Вони входять таким чином в корм рослиноїдним і споживачів інших порядків в ланці живлення.
Мінералізація екскрементів і трупів повертає біогенні катіони в грунт на рівень розташування коріння. У той же час у вологому кліматі цикл може бути дуже протирічливим, внаслідок вилуговування грунту дощами води переносять катіони в систему підземного стоку. Вилуговування призводить в областях помірного клімату до опідзолення, а в тропічних – до латеритизації.
Більша частина мінеральних поживних речовин зберігається в шарі гумусу. Це резерви, які досить повільно звільнюються в доступну для рослин форму.
Потік енергії в біосфері. Жива речовина потребує великої кількості енергії. Вона безперервно поглинає енергію, яка трансформується, передається від одних організмів до інших, знову попадає в неживу природу і так протягом всієї історії існування живої природи постійно крізь неї протікає потік енергії.
Життя на планеті існує завдяки Сонцю. Енергія, що проходить через живу оболонку планети, утворює потік, а не кругообіг! Із всієї сонячної енергії, що поступає на Землю, безпосередньо живими організмами використовується менше 0,1% від загальної кількості. За іншими даними на фотосинтез йде 1%.
Головну роль у використанні сонячної енергії відіграють зелені рослини, які здійснюють фотосинтез (фотоавтотрофи). Так, рослини із неорганічної речовини з допомогою енергії Сонця накопичують органічну речовину. Зелені рослини створюють основу для різноманітних форм життя планети. Енергія, зосереджена в тканинах зелених рослин багатократно потім трансформується в біоценозах перш, ніж вийти знову в неживу природу, уже у відпрацьованій формі теплового випромінювання.
Із світла (С), адсорбованого рослинами, лише незначна частка використовується для фотосинтезу вуглеводів (хлорофіл і близькі до нього пігменти). Фіксована таким чином енергія є валовою продукцією (Пв) екосистеми. Створені вуглеводи служать для побудови протоплазми рослин і для їх росту. Внаслідок цих процесів частина енергії затрачається на дихання за весь період продукування вуглеводів. Можна вважати, що чиста продукція = валовій мінус витрати на дихання: Пч=Пв-Д1.
Сумарна асиміляція і валова продукція виглядає так: Пв=Пч+Д1. Це потік енергії, що проходить через рівень продукування. Частина речовин служить кормом (К) рослиноїдним, решта залишається невикористаною (Н). Вона нарешті відмирає і стає харчем біоредуцентів. Із величини К, з’їденої рослиноїдними, деяка кількість асимілюється (А2), решта відходить у формі виділень і екскрементів (Е). Із асимільованого корму (А2) лише частина використовується для утворення біомаси рослиноїдних тварин, друга частина асимільова­ного корму використовується як енергія під час дихання. Отже, вторинна продуктивність (на рівні рослиноїдних) визначається фор­мулою П2 = А2-Д2, а потік енергії, що проходить через перший рівень споживання, виражається А2 = П2+Д2. Травоїдні служать поживою м’ясоїдним і потік енергії, що проходить через рівень визначається формулою А3 = П3+Д3. Зоофагів розділяють на рівні по етапності передачі енергії. Зоофагів, що поїдають рослиноїдних тварин, називають хижаками 1-го порядку, а тих, що поїдають зоофагів 1-го порядку називають хижаками 2-го порядку (деякі комахоїдні і хижі птиці, що живляться ящірками та зміями) і т.д. Або в морі – фітопланктон – зоопланктон – піщанка (риба) – оселедець – баклан.
Використання енергії сконцентрованої в тканинах зелених рослин і тварин (фітофагів і зоофагів) відбувається і після їх відмирання. На цьому етапі вступають в роль бактерії і тварини – сапрофаги. Біля 90% енергетичних запасів рослин і тварин використовується саме на цій стадії після їх відмирання. Енергетичні запаси детрита (напіврозкладені рештки рослин) використовують гриби, бактерії і безхребетні. Трупи тварин використовують тварини-некрофаги (мухи, жуки, кондори, шакали та ін.). На поїданні екскрементів тварин спеціалізуються копрофаги (мухи, жуки-гнойовики тощо).
Таким чином, енергія розтікаючись по живих каналах біоценозів, безперервно витрачається і поступово і незворотньо перетворюється в теплову енергію, яка надходить в навколишнє середовище в процесі біохімічних реакцій (дихання і т.д.).
В цілому жива речовина дуже погано, з великими затратами трансформує енергію. Трансформації, що відбуваються в ланках ланцюга живлення мають дуже низький к.к.д. На кожному рівні використовується для нарощення біомаси біля 1% енергії попереднього рівня, а решта 99% витрачаються на процеси обміну речовин (дихання, виділення, рух і т.д.). Утворюється піраміда біомас – чим вищий трофічний рівень тим менша його біомаса.

Всі опубліковані на сайті матеріали належать їх авторам. Матеріали розміщено виключно для ознайомлення. Копіювання та використання інформації суворо заборонено.








Популярні глави цього підручника:



Всі глави цього підручника:

Загальне землезнавство (Лекції)