Кругообіг в природі

Діяльність живих організмів супроводжується витягом з навколишнього їх неживої природи великих кількостей мінеральних речовин. Після смерті організмів складові їх хімічні елементи повертаються в навколишнє середовище. Так виникає біогенний кругообіг речовин у природі, тобто циркуляція речовин між атмосферою, гідросферою, літосферою і живими організмами.

Наведемо деякі приклади.

Кругообіг води.

Під дією енергії Сонця вода випаровується з поверхні водойм і повітряними течіями переносяться на великі відстані. Випадаючи на поверхню суші у вигляді опадів, вона сприяє руйнуванню гірських порід і робить складові їх мінерали доступними для рослин, мікроорганізмів і тварин. Вона розмиває верхній грунтовий шар і йде разом з розчиненими в ній хімічними сполуками і виваженими органічними і неорганічними частками в моря й океани. Циркуляція води між океаном і сушею найважливіша ланка в підтримці життя на Землі.

Рослини беруть участь у кругообігу води двояким способом: витягають її з грунту і випаровують в атмосферу; частина води в клітинах рослин розщеплюється в процесі фотосинтезу. При цьому водень фіксується у вигляді органічних сполук, а кисень надходить в атмосферу.

Тварини споживають воду для підтримання осмотичного і сольового рівноваги в організмі і виділяють її в зовнішнє середовище разом з продуктами обміну речовин.

Кругообіг вуглецю.

Вуглець надходить у біосферу в результаті фіксації його в процесі фотосинтезу. Кількість вуглецю, щорічно пов'язують рослинами, оцінюється в 46 млрд. т. Частина її надходить в тіло тварин і звільняється в результаті дихання у вигляді СО2, який знову надходить в атмосферу. Крім того, запаси вуглецю в атмосфері поповнюються за рахунок вулканічної діяльності та спалювання людиною горючих копалин. Хоча основна частина надходить в атмосферу діоксиду вуглецю поглинається океаном і відкладається у вигляді карбонатів, вміст СО2 в повітрі повільно, але неухильно підвищується.

Кругообіг азоту.

Азот один з основних біогенних елементів у величезних кількостях міститься в атмосфері, де складає 80% від загальної маси її газоподібних компонентів. Однак в молекулярній формі він не може використовуватися ні вищими рослинами, ні тваринами.

У форму, придатну для використання, атмосферний азот переводять електричні розряди (при яких утворюються оксиди азоту, в поєднанні з водою дають азотистих і азотну кислоти), азотфіксуючі бактерії та синьо-зелених водоростей. Одночасно утворюється аміак, який інші хемосінтезірующіе бактерії послідовно переводять у нітрити і нітрати. Останні найбільш засвоювані для рослин. Біологічна фіксація азоту на суші складає приблизно 1 г/м2, а в родючих областях досягає 20 г/м2.

Після відмирання організмів гнильні бактерії розкладають азотвмісні з'єднання до аміаку. Частина його йде в атмосферу, частина відновлюється денітрифікуючі бактеріями до молекулярного азоту, але основна маса окислюється до нітритів і нітратів і знову використовується. Деяка кількість сполук азоту осідає в глибоководних відкладеннях і надовго (мільйони років) вимикається з кругообігу. Ці втрати компенсуються надходженням азоту в атмосферу з вулканічними газами.

Кругообіг сірки.

Сірка входить до складу білків і також являє собою життєво важливий елемент. У вигляді сполук з металами сульфідів вона залягає у вигляді руд на суші і входить до складу глибоководних відкладів. У доступну для засвоєння розчинну форму ці сполуки переводяться хемосінтезірующімі бактеріями, здатними отримувати енергію шляхом окислення відновлених сполук сірки. В результаті утворюються сульфати, які використовуються рослинами. Глибоко залягають сульфати втягуються в кругообіг іншою групою мікроорганізмів, які відновлюють сульфати до сірководню.

Кругообіг фосфору.

Резервуаром фосфору служать поклади його сполук в гірських породах. Внаслідок вимивання він потрапляє в річкові системи і частиною використовується рослинами, а частиною несеться в море, де осідає в глибоководних відкладеннях. Крім того, у світі щорічно видобувається від 1 до 2 млн. т. фосфорвмісних порід. Більша частина цього фосфору також вимивається і виключається з кругообігу. Завдяки лову риби частина фосфору повертається на сушу в невеликих розмірах (близько 60 тис. т. елементарного фосфору на рік).

З наведених прикладів видно, яку значну роль в еволюції неживої природи грають живі організми. Їхня діяльність істотно впливає на формування складу атмосфери і земної кори. Великий внесок у розуміння взаємозв'язків між живою та неживою природою вніс видатний радянський вчений В. І. Вернадський. Він виявив геологічну роль живих організмів і показав, що їх діяльність являє собою найважливіший фактор перетворення мінеральних оболонок планети.

Таким чином, живі організми, відчуваючи на собі вплив факторів неживої природи, своєю діяльністю змінюють умови навколишнього середовища, тобто середовища свого проживання. Це призводить до зміни структури всієї спільноти біоценозу.

Встановлено, що азот, фосфор і калій можуть надавати найбільший позитивний вплив на врожаї культурних рослин, і тому ці три елементи в найбільших кількостях вносять у грунт із добривами, що застосовуються в сільському господарстві. Тому азот і фосфор виявилися головною причиною прискореної евтрофізаціі озер в країнах з інтенсивним землеробством. Евтрофізація це процес збагачення водойм живильними речовинами. Вона являє собою природне явище в озерах, так як річки приносять поживні речовини з навколишніх дренажних площ. Однак цей процес звичайно йде дуже повільно, протягом тисяч років.

Неприродна евтрофізація, що веде до стрімкого збільшення продуктивності озер, відбувається в результаті стоку з сільськогосподарських угідь, які можуть бути збагачені поживними речовинами добрив.

Існують також два інших важливих джерела фосфору стічні води та миючі засоби. Стічні води, як у своєму первісному вигляді, так і оброблені, збагачені фосфатами. Побутові детергенти містять від 15% до 60% біологічно руйнується фосфату. Резюме можна резюмувати, що евтрофізація врешті-решт призводить до виснаження ресурсів кисню і до загибелі більшості живих організмів в озерах, а в крайніх ситуаціях і в річках.

Організми в екосистемі пов'язані спільністю енергії і поживних речовин, і необхідно чітко розмежувати ці два поняття. Всю екосистему можна уподібнити єдиного механізму, що споживає енергію і живильні речовини для здійснення роботи. Поживні речовини спочатку походять з абіотичним компонента системи, в який, зрештою, і повертаються або як відходи життєдіяльності, або після загибелі і руйнування організмів. Таким чином, в екосистемі відбувається постійний кругообіг поживних речовин, у якому беруть участь і живої та неживої компоненти.

На глибині в десятки кілометрів гірські породи та мінерали піддаються впливу високих тисків і температур. У результаті відбувається метаморфізм (зміна) їх структури, мінерального, а іноді і хімічного складу, що призводить до утворення метаморфічних порід.

Опускаючись ще далі в глиб Землі, метаморфічні породи можуть розплавитися і утворити магму. Внутрішня енергія Землі (тобто ендогенні сили) піднімає магму до поверхні. З розплавленими гірськими породами, тобто магмою, хімічні елементи виносяться на поверхню Землі під час вивержень вулканів, застигають у товщі земної кори у вигляді інтрузій. Процеси горотворення піднімають глибинні гірські породи та мінерали на поверхню Землі. Тут гірські породи піддаються впливу сонця, води, тварин і рослин, тобто руйнуються, переносяться і відкладаються у вигляді опадів на новому місці. В результаті утворюються осадові гірські породи. Вони накопичуються в рухомих зонах земної кори і при пригинання знову опускаються на великі глибини (понад 10 км).

Знову починаються процеси метаморфізму, переправлення, кристалізації, і хімічні елементи повертаються на поверхню Землі. Такий "маршрут" хімічних елементів називається великим геологічним кругообігом. Геологічний кругообіг не замкнуті, тому що частина хімічних елементів виходить з кругообігу: несеться в космос, закріплюється міцними зв'язками на земній поверхні, а частина надходить ззовні, з космосу, з метеоритами.

Геологічний кругообіг це глобальне подорож хімічних елементів усередині планети. Більш короткі подорожі вони здійснюють на Землі в межах окремих її ділянок. Головний ініціатор живу речовину. Організми інтенсивно поглинають хімічні елементи з грунту, повітря води. Але одночасно і повертають їх. Хімічні елементи вимиваються з рослин дощовими водами, що виділяються в атмосферу при диханні і відкладаються в грунті після смерті організмів. Повернені хімічні елементи знову і знову залучаються живою речовиною в "подорожі". Всі разом і складає біологічний, або малий, кругообіг хімічних елементів. Він теж не замкнений.

Частина елементів-"мандрівників" несеться за його межі з поверхневими та грунтовими водами, частина на різний час "вимикається" з кругообігу і затримується в деревах, грунті, торфі.

Ще один маршрут хімічних елементів проходить зверху вниз від вершин і вододілів до долинах і руслах річок, западин, западина. На вододіли хімічні елементи надходять тільки з атмосферними опадами, а виносяться вниз і з водою, і під дією сили тяжіння. Витрата речовини переважає над надходженням, про що говорить сама назва ландшафтів вододілів елювіальний.

На схилах життя хімічних елементів змінюється. Швидкість їхнього пересування різко збільшується, і вони "проїжджають" схили, як пасажири, зручно влаштувавшись у купе поїзда. Ландшафти схилів так і називаються транзитними.

"Відпочити" від дороги хімічним елементам вдається лише в акумулятивних (що накопичують) ландшафтах, розташованих в зниженнях рельєфу. У цих місцях вони часто і залишаються, створюючи для рослинності хороші умови харчування. У деяких випадках рослинності доводиться боротися вже з надлишком хімічних елементів.

Вже багато років тому в розподіл хімічних елементів втрутилася людина. З початку ХХ століття діяльність людини стала головним способом їхньої подорожі. При видобутку корисних копалин величезна кількість речовин вилучається із земної кори. Їх промислова переробка супроводжується викидами хімічних елементів з відходами виробництва в атмосферу, води, грунту. Це забруднює середовище існування живих організмів. На землі з'являються нові ділянки з високою концентрацією хімічних елементів рукотворні геохімічні аномалії. Вони поширені навколо рудників кольорових металів (міді, свинцю). Ці ділянки іноді нагадують місячні пейзажі, тому що практично позбавлені життя через високі вміст шкідливих елементів у грунтах та водах. Зупинити науково-технічний прогрес неможливо, але людина повинна пам'ятати, що існує поріг у забрудненні природного середовища, який переходити не можна, за яким неминучі хвороби людей і навіть вимирання цивілізації.

Створивши біогеохімічні "звалища", природа, можливо, хотіла застерегти людину від непродуманої, аморальної діяльності, показати йому на наочному прикладі, до чого призводить порушення розподілу хімічних елементів у земній корі і на її поверхні.