У біосфері, як і в кожній екосистемі, постійно здійснюється кругообіг вуглецю, азоту, водню, кисню, фосфору, сірки та інших речовин.

Вуглекислий газ поглинається рослинами, продуцентами і в процесі фотосинтезу перетворюється на вуглеводи, білки, ліпіди та інші органічні сполуки. Ці речовини з їжею використовують тварини-консументи.

Поруч із цим у природі відбувається зворотний процес. Всі живі організми дихають, виділяючи CO 2 який надходить в атмосферу. Мертві рослинні та тваринні залишки та екскременти тварин розкладаються мікроорганізмами-редуцентами. CO2 виділяється в атмосферу. Частина вуглецю накопичується у ґрунті у вигляді органічних сполук.

У процесі кругообігу вуглецю в біосфері утворюються енергетичні ресурси: нафта, кам'яне вугілля, горючі гази, торф та деревина.

При розкладанні рослин та тварин азот виділяється у вигляді аміаку. Нітрифікуючі бактерії перетворюють аміак на солі азотистої та азотної кислот, які засвоюються рослинами. Деякі азотфіксуючі бактерії здатні засвоювати атмосферний азот. Так замикається кругообіг азоту в природі.

В результаті кругообігу речовин у біосфері відбувається безперервна біогенна міграція елементів: необхідні для життя рослин і тварин хімічні елементи переходять із середовища в організм, при розкладанні організмів ці елементи знову повертаються в середу, звідки надходять до організму.

Основа біосфери - кругообіг органічної речовини, що здійснюється за участю всіх організмів, що населяють біосферу, отримала назву біотичного круговороту.

У закономірностях біотичного круговороту полягає основа тривалого існування та розвитку життя Землі.

Людина - елемент біосфери і як складова частина біомаси Землі протягом усієї еволюції знаходилася і перебуває у безпосередній залежності від навколишньої природи.

З розвитком вищої нервової діяльності людина сама стає сильним чинником середовища (антропогенний чинник) у подальшій еволюції Землі.

Вплив людини на природу подвійний - позитивний і негативний. Діяльність людини часто спричиняє порушення природних закономірностей.

Частка маси людства у біосфері невелика, але діяльність його грандіозна, нині вона стала силою, що змінює процеси у біосфері.

В. І. Вернадський стверджує, що біосфера закономірно перейде в ноосферу (від гр. "ноос" - розум" + гр. "сфера" - куля).

За В. І. Вернадським, ноосфера - це біосфера, перетворена працею людини та змінена науковою думкою.

В даний час настав такий період, коли людина повинна планувати свою господарську діяльність так, щоб вона не порушувала сформовані в гігантській екосистемі, якою є біосфера, закономірності, не сприяла скороченню біомаси.

Кругообіг біогенних елементів. Крім розглянутих основних елементів, у процесі обміну речовин живого організму бере участь низка інших. Деякі з них присутні у значних кількостях і належать до категорії макроелементів, наприклад, натрій, калій, кальцій, магній. Частина елементів міститься у дуже малих концентраціях (мікроелементи), але вони також життєво необхідні (залізо, цинк, мідь, марганець тощо).

Кругообіги основних біогенних речовин та елементів. Розглянемо кругообіг найбільш значущих для живих організмів речовин і елементів (рис. 3-8). Кругообіг води відноситься до великого геологічного; а кругообіги біогенних елементів (вуглецю, кисню, азоту, фосфору, сірки та інших біогенних елементів) - до малого біогеохімічного.[...]

Швидкість кругообігів біогенних елементів досить висока. Час обороту атмосферного вуглецю становить близько 8 років. Щороку в наземних екосистемах в кругообіг залучаються приблизно 12% діоксиду вуглецю, що міститься в повітрі. Загальний час кругообігу азоту оцінюється більш ніж у 110 років, кисню - у 2500 років.

Біотичний кругообіг. Кругообіг біогенних елементів, обумовлений синтезом і розпадом органічних речовин в екосистемі, називає біотичним кругообігом речовин. Крім біогенних елементів в біотичний кругообіг залучені найважливіші для біоти мінеральні елементи та безліч різних сполук. Тому весь циклічний процес хімічних перетворень, обумовлених біотою, особливо коли йдеться про всю біосферу, називають ще біогеахімічним кругообігом.

Біотичний кругообіг - кругообіг біогенних елементів та залучених ним інших речовин в екосистемах, в біосфері між їх біотичними та абіотичні компонентами. Найважливішою рисою біосферного біотичного круговороту є високий рівень замкнутості.

З іншого боку, біогенні елементи як компоненти біомаси просто змінюють молекули, до складу яких входять, наприклад, нітратний І-білковий І-іштратний N. Вони можуть використовуватися неодноразово, і кругообіг - їх характерна риса. На відміну від енергії сонячної радіації, запаси біогенних елементів непостійні. Процес зв'язування деякої їх частини в живій біомасі знижує кількість, що залишається спільноті. Якби рослини та фітофаги в кінцевому рахунку не розкладалися, запас біогенів вичерпався б і життя на Землі припинилося. Активність гетеротрофних організмів - вирішальний чинник збереження кругообігів біогенних елементів та утворення продукції. На рис. 17.24 показано, що вивільнення цих елементів у формі простих неорганічних сполук походить тільки із системи редуцентів. Насправді ж деяку частку цих простих молекул (особливо СОг) дає і система консументів, проте таким шляхом у кругообіг повертається дуже незначна частина біогенних елементів. Вирішальна роль належить тут системі редуцентів.

Рушійними силами кругообігу речовин служать потоки енергії Сонця та діяльність живої речовини, що призводять до переміщення величезних мас хімічних елементів, концентрування та перерозподілу акумульованої в процесі фотосинтезу енергії. Завдяки фотосинтезу та безперервно діючим циклічним кругообігам біогенних елементів створюється стійка організованість всіх екосистем та біосфери в цілому, здійснюється їх нормальне функціонування.

За відсутності зовнішніх потоків біогенних сполук, біосфера може існувати стабільно лише при існуванні замкнутого круговороту речовин, у процесі якого біогенні елементи здійснюють замкнуті цикли, поперемінно переходячи з неорганічної частини біосфери в органічну та. навпаки. Такий кругообіг здійснюється живими організмами біосфери. Припускають, що в біосфері міститься близько 1027 нескорелованих між собою живих організмів. У процесі еволюційного розвитку біосфери сформувалися наступні три групи організмів, що розрізняються за своїм функціональним призначенням та участь у кругообігу біогенних елементів: продуценти, редуценти та консументи.

Матеріальні процеси в живій природі, круговороти біогенних елементів пов'язані з потоками енергії стехіометричними коефіцієнтами, що змінюються у різних організмів лише в межах одного порядку. При цьому завдяки високій ефективності каталізу витрати енергії на синтез нових речовин в організмах набагато менші ніж у технічних аналогах цих процесів.

Дуже важливий для практики висновок, що випливає з багатьох інтенсивних досліджень кругообігу біогенних елементів, полягає в тому, що надлишок добрив може виявитися настільки ж невигідним для людини, як і їх недолік. Якщо в систему вноситься більше речовини, ніж можуть використовувати активні в даний момент організми, надлишок швидко зв'язується ґрунтом та відкладеннями або зникає в результаті вилуговування, стаючи недоступним саме в той період, коли зростання організмів є найбільш бажаним. Багато хто помилково вважає, що якщо на певну площу їх саду або ставка рекомендується 1 кг добрив (або пестициду), то 2 кг принесуть вдвічі більше користі. Цим прихильникам принципу «чим більше – тим краще» варто було б зрозуміти принцип співвідношення субсидії та стресу, відображений на графіку рис. 3.5. Субсидії неминуче перетворюються на джерело стресу, якщо застосовувати їх необережно. Надмірне внесення добрив у такі екосистеми, як риборозвідні ставки, не тільки марнотратно в сенсі досяганих результатів, але може викликати непередбачені зміни в системі, а також забруднити екосистеми, розташовані нижче за течією. Так як різні організми адаптовані до різних рівнів вмісту елементів, тривале передобрення призводить до змін у видовому складі організмів, причому можуть зникнути потрібні нам і з'явитися непотрібні.

З життєдіяльністю грунтових мікроорганізмів пов'язані багато процесів, що протікають у грунті - круговороти біогенних елементів, мінералізація тварин і рослинних залишків, збагачення грунту доступними для рослин формами азоту. З діяльністю мікроорганізмів пов'язано родючість грунту. Отже, ґрунтові мікроорганізми впливають безпосередньо на життя рослин, а через них - на тварин і людину, будучи однією з головних частин наземних екосистем.

Ставки та озера особливо зручні для досліджень, оскільки протягом короткого періоду часу круговороти біогенних елементів у них можуть розглядатися як незалежні. Хатчінсон (Hutchinson, 1957) і Помрой (Pomeroy, 1970) опублікували огляди робіт з кругообігу фосфору і кругообігу інших життєво важливих елементів.

Транспірація має свої позитивні сторони. Випаровування охолоджує листя і серед інших процесів сприяє кругообігу біогенних елементів. Інші процеси - це транспорт іонів через ґрунт до коренів, транспорт іонів між клітинами кореня, переміщення всередині рослини та вимивання з листя (Kozlowski, 1964, 1968). Деякі з цих процесів потребують витрати метаболічної енергії, що може лімітувати швидкість транспортування води та солей (Fried, Broeshart, 1967). Таким чином, транспірація – це не просто функція відкритих фізичних поверхонь. Ліс не обов'язково втрачає більше води, ніж трав'яниста рослинність. Роль транспірації як енергетичної субсидії за умов вологого лісу розглядалася в гол. 3. Якщо повітря занадто вологе (відносна вологість наближається до 100%), як буває в деяких тропічних «хмарних» лісах, то дерева відстають у рості і більша частина рослинності складається з епіфітів, мабуть, через відсутність «транспірації» тяги» (Н. Odum, Pigeon, 1970).

Енергія не може передаватися по замкнутих циклах і використовуватися повторно, а речовина може. ■-Надходження та винесення біогенних елементів, як правило, низькі в порівнянні з їх кількістю, що бере участь у кругообігу, хоча сірка - важливий виняток з цього правила (в основному через «гкислотні дощі»),- Зведення лісу розмикає кругообіг і веде до втраті біогенів. - Наземні біоми різняться розподілом біогенних елементів між мертвою органічною речовиною і живими тканинами, - Течії та осадонакопичення - важливі фактори, що впливають на потік біогенних елементів у водних екосистемах.

Всі люди споживають їжу, будучи консументами 1-го та 2-го порядку в харчових ланцюгах. Вони виділяють продукти фізіологічного обміну, що утилізуються редуцентами, що беруть участь у кругообігу біогенних елементів. Людина - одне із 3 млн. відомих нині біологічних видів Землі.[ ...]

Будь-яку екосистему можна подати у вигляді ряду блоків, через які проходять різні матеріали і в яких ці матеріали можуть залишатися протягом різних періодів часу (рис. 10.3). У кругообігах мінеральних речовин, в екосистемі, як правило, беруть участь три активні блоки: живі організми, мертвий органічний детріт і доступні неорганічні речовини. Два додаткові блоки - побічно доступні неорганічні речовини і органічні речовини, що осаджуються, - пов'язані з кругообігами біогенних елементів в якихось периферичних ділянках загального циклу (рис. 10.3), проте обмін між цими блоками та іншою екосистемою уповільнений порівняно з обміном, що відбувається між активними блоками .[...]

У життєдіяльності організмів важливе значення мають вуглець, азот та фосфор. Саме їх сполуки необхідні для утворення кисню та органічної речовини у процесі фотосинтезу. Значну роль кругообігу біогенних елементів виконують донні відкладення. Вони є в одному випадку джерелом, в іншому – акумулятором органічних та мінеральних ресурсів водойми. Надходження їх із донних відкладень залежить від pH, а також від концентрації цих елементів у воді. При підвищенні pH та низької концентрації біогенних елементів збільшується надходження у воду фосфору, заліза та інших елементів з донних відкладень.

Важливим завданням вивчення структури та функціонування угруповань (біоценозів) є вивчення стабільності угруповань та їх здатності протистояти несприятливим впливам. При дослідженні екосистем відкривається можливість кількісного аналізу кругообігу речовини та змін потоку енергії при переході з одного харчового рівня на інший. Такий продукційно-енергетичний підхід на популяційному та біоценотичному рівнях дозволяє порівнювати різні природні та створювані людиною екосистеми. Ще одне із завдань екологічної науки - вивчення різних видів зв'язків у наземних та водних екосистемах. Особливо важливим є вивчення біосфери в цілому: визначення первинної продукції та деструкції по всій земній кулі, глобального кругообігу біогенних елементів; ці завдання можна вирішити лише об'єднаними зусиллями вчених різних стран.[ ...]

Періодична система в хімії, закони руху небесних тіл в астрономії і т. д.) Ці схеми проявляються, наприклад, у наявності одних і тих же видів (або одних і тих же форм зростання, продуктивності, швидкостей кругообігу біогенних елементів і т. д.). ) у різних місцях. Це веде у свою чергу до створення гіпотез про причини такої повторюваності. Гіпотези можна потім перевіряти, проводячи подальші спостереження чи ставлячи експерименти.

Усі форми взаємовідносин утворюють разом механізм природного відбору і забезпечують стійкість співтовариства як форми організації життя. Спільнота є мінімальною формою організації життя. здатну функціонувати практично необмежений час на певній ділянці території. Тільки на рівні спільноти може бути здійснено на певній ділянці території кругообіг біогенних елементів, без якого не можна забезпечити необмежену тривалість життя при обмежених життєвих ресурсах території.

В результаті життєдіяльності організмів відбувається два протилежні та нероздільні процеси. З одного боку, з простих абіотичних компонентів синтезуємо живу органічну речовину, з іншого - руйнуються олокні органічні сполуки до простих абіотичних речовин. Ці два процеси забезпечують обмін речовин між біотичним а абіотичним компонентами екосистем і становлять основне ядро ​​біогеохімічного круговороту біогенних елементів.

Ще в сімдесяті роки XX століття хімік Джеймс Ловлок та мікробіолог Лінн Маргуліс висунули теорію складної регуляції атмосфери Землі біологічними об'єктами, згідно з якою рослини та мікроорганізми разом із фізичним середовищем забезпечують підтримку певних геохімічних умов на Землі, сприятливих для життя. Це - відносно високий вміст в атмосфері кисню і низький - вуглекислий газ, певні вологість і температура повітря. Особлива роль цієї регуляції належить мікроорганізмам наземних і водних екосистем, які забезпечують кругообіг біогенних елементів. Загальновідома регулююча роль мікроорганізмів Світового океану у підтримці певної кількості вуглекислого газу в атмосфері Землі та у запобіганні тепличному ефекту.

Величезний відтворювальний потенціал живої речовини. Якби на якийсь час було зупинено вмирання і нічим не обмежувалися розмноження та зростання, то стався б «біологічний вибух» космічного масштабу: менше ніж за дві доби біомаса мікроорганізмів у кілька разів перевершила б масу земної кулі. Цього не відбувається через лімітування речовини; біомаса екосфери підтримується на відносно постійному рівні протягом сотень мільйонів років. При постійному накачуванні потоком сонячної енергії жива природа долає обмеженість поживного матеріалу шляхом організації кругообігу біогенних елементів. Це забезпечує високу продуктивність багатьох екосистем (див. табл. 2. 1).

Антропогенний тиск на природу не обмежується забрудненням. Не менше значення має експлуатація природних ресурсів та обумовлені нею порушення екологічних систем. Природокористування коштує дуже дорого - набагато більше за звичайну грошову вартість споживаних ресурсів. Насамперед тому, що в економіці природи, як і в економіці людини, не існує безкоштовних ресурсів: простір, енергія, сонячне світло, вода, кисень, хоч би якими невичерпними їх запаси на Землі, неухильно оплачуються будь-якою системою, що витрачає їх, оплачуються повнотою та швидкістю повернення, обороту цінностей, замкненістю матеріальних кругообігів - біогенних елементів, енергоносіїв, їжі, грошей, здоров'я... Тому що до всього цього діє закон обмеженості ресурсів.

Діяльність живих організмів у біосфері супроводжується вилученням із довкілля великих кількостей мінеральних речовин. Після смерті організмів складові їх хімічні елементи повертаються у довкілля. Так виникає біогенний (за участю живих організмів) кругообіг речовин у природі, тобто циркуляція речовин між літосферою, атмосферою, гідросферою та живими організмами. Під кругообігом речовин розуміють повторюваний процес перетворення і переміщення речовин у природі, що має більш менш виражений циклічний характер.

У кругообігу речовин беруть участь усі живі організми, що поглинають із зовнішнього середовища одні речовини та виділяють у неї інші. Так, рослини споживають із зовнішнього середовища вуглекислий газ, воду та мінеральні солі та виділяють у неї кисень. Тварини вдихають кисень, виділений рослинами, а поїдаючи їх, засвоюють синтезовані з води та вуглекислого газу органічні речовини та виділяють вуглекислий газ, воду та речовини неперетравленої частини їжі. При розкладанні бактеріями та грибами відмерлих рослин та тварин утворюється додаткова кількість вуглекислого газу, а органічні речовини перетворюються на мінеральні, які потрапляють у ґрунт і знову засвоюються рослинами. Таким чином, атоми основних хімічних елементів постійно здійснюють міграцію з одного організму в інший, з ґрунту, атмосфери та гідросфери – у живі організми, а з них – у навколишнє середовище, поповнюючи таким чином неживу речовину біосфери. Ці процеси повторюються нескінченне число разів. Так, наприклад, весь атмосферний кисень проходить через живу речовину за 2 тис. років, весь вуглекислий газ – за 200-300 років.

Безперервна циркуляція хімічних елементів у біосфері більш-менш замкнутими шляхами називається біогеохімічним циклом. Необхідність такої циркуляції пояснюється обмеженістю їх запасів планети. Щоб забезпечити нескінченність життя, хімічні елементи повинні здійснювати рух по колу. Кругообіг кожного хімічного елемента є частиною загального грандіозного кругообігу речовин на Землі, тобто всі круговороти тісно пов'язані між собою.

Кругообіг речовин, як і всі процеси, що відбуваються в природі, вимагає постійного припливу енергії. Основою біогенного кругообігу, що забезпечує існування життя, є сонячна енергія. Пов'язана в органічних речовинах енергія але ступеням харчового ланцюга зменшується, тому що більша її частина надходить у навколишнє середовище у вигляді тепла або ж витрачається на здійснення процесів, що відбуваються в організмах, Тому в біосфері спостерігається потік енергії та її перетворення. Таким чином, біосфера може бути стійкою лише за умови постійного кругообігу речовин та припливу сонячної енергії.

Природні ресурси

Кожна тварина або рослина є ланкою в ланцюгах живлення своєї екосистеми, обмінюється речовинами з неживою природою, а отже включено в кругообіг речовин біосфери. Хімічні елементи у складі різних сполук циркулюють між живими організмами, атмосферою та ґрунтом, гідросферою та літосферою. Почавшись в одних екосистемах, кругообіг закінчується в інших. Вся біомаса планети бере участь у кругообігу речовин, це надає біосфері цілісності та стійкості. Живі організми суттєво впливають на переміщення та перетворення багатьох сполук. У біологічному кругообігу задіяні насамперед елементи, що входять до складу органічних речовин: С, N, S, Р, Про, Н, а також ряд металів (Fe, Ca, Mg та ін).

Циркуляція сполук здійснюється в основному за рахунок енергії Сонця. Зелені рослини, акумулюючи його енергію та споживаючи з ґрунту мінеральні сполуки, синтезують органічні речовини. Органіка поширюється у біосфері по ланцюгах живлення. Редуценти руйнують рослинну та тваринну органіку до мінеральних сполук, замикаючи біологічний цикл.

У верхніх шарах океану та на поверхні суші переважає утворення органічної речовини, а у ґрунті та глибинах моря – його мінералізація. Міграція птахів, риб, комах сприяє перенесення накопичених ними елементів. Істотно на кругообіг елементів впливає діяльність людини.

Кругообіг води.Води планети, що нагріваються сонцем, випаровуються. Волога, що випадає життєвим дощем, повертається назад в океан в якості річкових вод або очищених фільтрацією грунтових вод, переносячи величезну кількість неорганічних і органічних сполук. Живі організми беруть активну участь у кругообігу води, що є необхідним компонентом процесів метаболізму (про біологічну роль води див. § 1). На суші більшість вод випаровується рослинами, зменшуючи водосток і перешкоджаючи ерозії грунту. Тому при вирубуванні лісів поверхневий стік збільшується відразу в кілька разів і спричиняє інтенсивний розмив ґрунтового покриву. Ліс уповільнює танення снігу, і тала вода, поступово стікаючи, добре зволожує поля. Рівень ґрунтових вод підвищується, а весняні повені рідко бувають руйнівними.

Вологі тропічні ліси пом'якшують спекотний екваторіальний клімат, затримуючи та поступово випаровуючи воду (це явище називають транспірацією). Вирубування тропічних лісів викликає у прилеглих районах катастрофічні посухи. Хижаче знищення лісів здатне перетворити на пустелі цілі країни, як це вже сталося в північній Африці. Кругообіг води, регульований рослинністю, - найважливіша умова підтримки життя Землі.

Кругообіг вуглецю.У процесі фотосинтезу рослини поглинають вуглець у складі вуглекислого газу. Органічні речовини, що продукуються ними, містять значну кількість вуглецю, що поширюється в екосистемі по ланцюгах живлення. У процесі дихання організми виділяють вуглекислий газ. Органічні залишки в морі та на суші мінералізуються редуцентами. Один із продуктів мінералізації – вуглекислий газ – повертається в атмосферу, замикаючи цикл.

Протягом 6-8 років живі істоти пропускають крізь себе весь вуглець атмосфери. Щорічно до процесу фотосинтезу залучається до 50 млрд. т вуглецю. Частина його накопичується в грунті та на дні океанів – у скелетах водоростей та молюсків, коралових рифах. Істотний запас вуглецю міститься у складі осадових порід. На основі викопних рослин та планктонних організмів сформовані родовища кам'яного вугілля, органогенного вапняку та торфу, природного газу та, можливо, нафти (деякі вчені припускають абіогенне походження нафти). Природне паливо під час згоряння поповнює кількість атмосферного вуглецю. Щорічно вміст вуглецю в атмосфері збільшується на 3 млрд т і може порушити стійкість біосфери. Якщо темп приросту збережеться, то інтенсивне танення полярних льодів, спричинене парниковим ефектом вуглекислого газу, призведе до затоплення прибережних територій по всьому світу.

Кругообіг азоту.Значення азоту для живих організмів визначається в основному його вмістом у білках та нуклеїнових кислотах. Азот, як і вуглець, входить до складу органічних сполук, круговороти цих елементів тісно пов'язані. Головне джерело азоту – атмосферне повітря. Завдяки фіксації живими організмами азот надходить з повітря в ґрунт та воду. Щорічно синьо-зелені пов'язують близько 25 кг/га азоту. Ефективно фіксують азот та бульбочкові бактерії.

Рослини поглинають сполуки азоту із ґрунту та синтезують органічні речовини. Органіка поширюється ланцюгами живлення до редуцентів, що розкладають білки із аміаку, перетворюється далі іншими бактеріями до нітритів і нітратів. Аналогічна циркуляція азоту відбувається між організмами бентосу та планктону. Денітрифікуючі бактерії відновлюють азот до вільних молекул, що повертаються в атмосферу. Невелика кількість азоту фіксується у вигляді оксидів блискавковими розрядами та потрапляє у ґрунт з атмосферними опадами, а також надходить від вулканічної діяльності, компенсуючи спад у глибоководні відкладення. Азот надходить у ґрунт також у вигляді добрив після промислової фіксації з повітря атмосфери.

Кругообіг азоту - більш замкнутий цикл, ніж кругообіг вуглецю. Лише незначна його кількість вимивається річками або йде в атмосферу, залишаючи межі екосистем.

Кругообіг сірки.Сірка входить до складу ряду амінокислот та білків. З'єднання сірки надходять у кругообіг в основному у вигляді сульфідів з продуктів вивітрювання порід суші та морського дна. Ряд мікроорганізмів (наприклад, хемосинтезуючі бактерії) здатні переводити сульфіди в доступну для рослин форму - сульфати. Рослини та тварини відмирають, мінералізація їх залишків редуцентами повертає сполуки сірки у ґрунт. Так, серобактерії окислюють до сульфатів сірководень, що утворюється при розкладанні білків. Сульфати сприяють перекладу важкорозчинних сполук фосфору розчинні. Кількість мінеральних сполук, доступних рослинам, зростає, покращуються умови їхнього харчування.

Ресурси корисних копалин сірковмісних дуже значні, а надлишок цього елемента в атмосфері, що призводить до кислотних дощів і порушує процеси фотосинтезу поблизу промислових підприємств, вже турбує вчених. Кількість сірки в атмосфері значно збільшується при спалюванні природного палива.

Кругообіг фосфору.Цей елемент міститься у низці життєво важливих молекул. Його кругообіг починається вимиванням фосфоровмісних сполук з гірських порід і надходженням їх у ґрунт. Частина фосфору виноситься в річки та моря, інша - засвоюється рослинами. Біогенний кругообіг фосфору відбувається за загальною схемою: продуценти консументиредуценти.

Значні кількості фосфору вносяться на поля з добривами. Близько 60 тис. т фосфору щорічно повертається на материк із виловом риби. У білковому раціоні людини риба становить від 20% до 80%, деякі малоцінні сорти риб переробляються на добрива, багаті на корисні елементи, у т. ч. фосфором.

Щорічний видобуток фосфоровмісних порід становить 1-2 млн. т. Ресурси фосфоровмісних порід поки що великі, але в майбутньому людству, ймовірно, доведеться вирішувати проблему повернення фосфору в біогенний кругообіг.

Природні ресурси. Можливість нашого життя, його умови залежать від природних ресурсів. Біологічні та особливо харчові ресурси є матеріальною основою життя. Мінеральні та енергетичні ресурси, включаючись у виробництво, є основою стабільного рівня життя.

Ресурси прийнято ділити на невичерпні та вичерпні. Енергія Сонця та вітру, атмосферне повітря та вода практично невичерпні. Однак за сучасного неекологічного промислового виробництва воду і повітря можна лише умовно вважати невичерпними ресурсами. У багатьох районах у зв'язку із забрудненням виник дефіцит чистої води та повітря. Щоб ці ресурси залишалися невичерпними, необхідно дбайливе ставлення до природи.

Вичерпні ресурси ділять на невідновлювані та відновлювані. До невідновлюваних відносяться втрачені види тварин і рослин, більшість корисних копалин. Відновлюваними ресурсами є деревина, промислові тварини та риби, рослини, а також деякі корисні копалини, наприклад, торф.

Інтенсивно споживаючи природні ресурси, людині необхідно дотримуватись природної рівноваги. Збалансованість ресурсів у кругообігу речовин визначає стійкість біосфери.

1. Як живі організми беруть участь у кругообігу речовин? Де переважає утворення органічної речовини, де відбувається її мінералізація?
2. Опишіть кругообіг води. Яка роль лісів у його регуляції?
3. Як відбувається кругообіг вуглецю? Чи можна виключити з кругообігу рослини?
4. У чому особливості кругообігів азоту, сірки, фосфору?
5. Які ресурси потребують особливо дбайливого відношення?

Господарська діяльність людини та глобальні екологічні проблеми

Близько 10-15% поверхні суші розорано, 25% є повністю або частково окультурені пасовища. Якщо до цього додати 3-5% поверхні, зайнятої транспортною мережею, промисловістю, будинками та спорудами, і близько 1-2% території Землі, пошкодженої розробками корисних копалин, то виявиться, що майже половина поверхні суші видозмінена діяльністю людини.

З розвитком цивілізації її негативний внесок у біосферні колообіги збільшується. На кожну тонну промислової продукції припадає 20-50 т відходів. На кожну людину у великих містах припадає понад 1 т харчового та побутового сміття на рік. Дисгармонія в біосфері відбивається як на рослинному та тваринному світі, так і на здоров'ї людей. Безліч забруднюючих речовин, потрапляючи у ґрунт, атмосферу та водойми, накопичуються у тканинах рослин та тварин і через харчові ланцюги заражають організм людини. Токсичні сполуки здатні помітно збільшувати кількість мутацій, що призводять до вроджених та спадкових відхилень. Зіставлення даних по різних регіонах планети привело вчених до висновку, що не менше 80% ракових захворювань спричинені хімічним забрудненням середовища.

Забруднення атмосфери переважно походить від спалювання природного палива транспортом, комунальним господарством, промисловістю. У містах частку транспорту припадає понад 60% забруднюючих речовин, на підприємства теплоенергетики - близько 15%, і 25% викидів припадають на промислові та будівельні підприємства. Основні забруднювачі повітря – оксиди сірки, азоту, метан та чадний газ. У рослин забруднення атмосфери веде до серйозних порушень метаболізму та різних захворювань. Від сірчистого газу руйнується хлорофіл і утруднюється розвиток пилкових зерен, висихають і опадає листя та хвоя. Не менш згубна дія та інших забруднюючих речовин.

Щорічно до атмосфери викидається близько 100 млн. т оксидів сірки, понад 70 млн. т оксидів азоту, 180 млн. т чадного газу.

Кислотні опади. Висока концентрація забруднюючих речовин призводить до утворення кислотних дощів та смогу. Кислотні опади (дощ, сніг, туман) утворюються при розчиненні у воді діоксидів сірки та азоту (SO2, NO2). Кислі опади вимивають із листя рослин білки, амінокислоти, цукор, калій, ушкоджують верхній захисний шар. Розчини кислот вносять у ґрунт кисле середовище, викликають вимивання гумусу, знижуючи кількість життєво важливих солей кальцію, калію, магнію. Кислотні ґрунти бідні на мікроорганізми, в них уповільнюється швидкість деструкції опаду, скорочення чисельності редуцентів порушує збалансованість екосистем.

Кислотні дощі знищують величезні екосистеми, викликають загибель рослин та лісів, перетворюють озера та річки на неживі водойми. У США за останні 100 років кислотні дощі стали в 40 разів кислішими, близько 200 озер залишилися без риби, у Швеції 20% озер перебувають у катастрофічному стані. Понад 70% шведських кислих дощів спричинено викидами інших країн. Близько 20% кислих дощів у Європі – наслідок викидів оксидів сірки у Північній Америці.

Зміг. У нижніх шарах атмосфери під дією сонячного світла забруднюючі речовини утворюють вкрай шкідливі для живих організмів сполуки, що спостерігаються як туман. У великих містах кількість сонячного світла через смог зменшується на 10-15%, ультрафіолетових променів - на 30%.

Озонові діри . В атмосфері на висоті 20-25 км розташована велика кількість молекул озону (О3), що поглинає жорстку частину сонячного спектру, згубну для живих організмів. У 1982 р. вчені виявили дірку в озоновому шарі над Антарктидою, 1987 р. - над Північним полюсом. Вчені побоюються, чи не виникнуть дірки і над житлом земної кулі. Це може призвести до сплеску захворювань на рак шкіри, катаракти, до порушень лісових та морських екосистем.

З яких причин виникають озонові дірки? Вчені припускають, що головною з них є накопичення фреонів (хлорфторвуглеців СFСl3, СF2Сl2), що використовуються при виготовленні аерозолів та в холодильній промисловості. Ці гази зберігаються у атмосфері десятиліттями. Потрапляючи в стратосферу, вони розкладаються сонячною радіацією з утворенням атомів хлору, які каталізують перетворення озону на кисень.

Парниковий ефект. Деякі атмосферні гази добре пропускають видиме світло та поглинають теплове випромінювання планети, викликаючи загальне потепління. Парниковий ефект на 50% обумовлений присутністю вуглекислого газу, 18% вносить метан та 14% фреони. Збільшення кількості СО2 в атмосфері викликане в основному спалюванням палива та зведенням лісів під оранку, а також інтенсивною мінералізацією гумусу великих орних земель.

Метан надходить в атмосферу з болотистих районів, від перезволожених ґрунтів рисових плантацій, від численних скотарських господарств, при розтині вугільних родовищ. Метан - один з основних продуктів метаболізму жуйних, що надає характерного гострого запаху їх виділенням. У ХХ ст. кількість СО2 у атмосфері зросла на 25%, а метану - на 100%, що підвищило середню температуру на 0,5°С. За такої тенденції протягом найближчих 50 років температура може піднятися на 3-5°С. Розрахунки показують, що танення полярних льодів призведе до підвищення рівня світового океану на 0,5-1,5 м. У Єгипті виявляться затопленими 20-30% родючих земель дельти Нілу, під загрозою виявляться прибережні селища та великі міста Китаю, Індії та США. Загальна кількість опадів збільшиться, але в центральних частинах материків клімат може стати більш посушливим та згубним для врожаю, насамперед зернових та рису (для 60% населення Азії рис – основний продукт).

Таким чином, навіть невеликі зміни у газовому складі атмосфери небезпечні для природних екосистем.

Порушення у гідросфері. Великомасштабні помилки у сільськогосподарській діяльності призвели до руйнації багатьох природних екосистем. Відведення стоків Амудар'ї та Сирдар'ї під зрошення бавовняних плантацій стало причиною катастрофічного падіння рівня Аральського моря. Пильні бурі у його висихаючому ложі викликали засолення ґрунтів на величезних територіях. Деградація природних екосистем Пріаралья – результат нестачі води та опустелювання.

Хижацький забір води на зрошення, на потреби промислового виробництва (на виплавку 1 т нікелю йде 4000 м 3 води, на виробництво 1 т паперу - 100 м 3 , 1 т синтетичного волокна - до 5000 м 3), знищення водоохоронних лісів та осушення боліт до масового зникнення рік. Якщо 1785 р. у районі Калуги було понад 1 млн. річок, то 1990 р. їх залишилося лише 200!

Екосистеми річок дуже чутливі та вразливі. Величезна кількість добрив, що змиваються з полів, відходів тваринництва та каналізаційних вод викликає зростання концентрації у водоймищах сполук азоту та фосфору. У водних екосистемах починається бурхливий розвиток синьо-зелених водоростей, що витісняють необхідні зоопланктону діатомові водорості. Риби гинуть з голоду. Синьозелені накопичуються на дні і гниють (розкладаються бактеріями), отруюючи воду та виснажуючи запаси кисню. Мальовничі водоймища перетворюються на погано пахнуть, вкриті тванню та піною стічні канави. Якщо вода не отруєна, то на кожному квадратному метрі налічується до 15 молюсків, кожен із яких за добу ретельно фільтрує до 50 л води. Ці істоти гинуть із надходженням у водойми сторонніх хімічних речовин. Найстійкішими до забруднення води є п'явки, асцидії та личинки бабок.

Складові біосфери взаємопов'язані кругообігом речовин і харчовими ланцюгами, порушення однієї екосистеми викликає зміщення екологічної рівноваги в інших. Коли в північній півкулі комах стали цькувати ДДТ, незабаром значні кількості цієї отрути виявили в організмах антарктичних пінгвінів, які отримали його з рибою. Багато отрутохімікатів дуже стійкі і здатні тривалий час накопичуватися в тканинах організмів, багаторазово множачись на кожному наступному харчовому рівні.

Внаслідок нерозумної господарської діяльності людини природні водойми виявились отруєними солями важких металів - ртуті, свинцю, а також міді та цинку. Ці сполуки накопичуються в мулі, у тканинах риб, а через харчові ланцюги потрапляють до організму людини, викликаючи тяжкі отруєння. Вміст свинцю в тканинах організмів жителів індустріальних районів США за останні 100 років зріс у 50-1000 разів. Навіть у льодовиках Паміро-Алтаю вміст ртуті збільшився вп'ятеро. Найнижчі кількості багатьох хімікатів порушують поведінку риб, омарів та інших водних видів. На цих ознаках засновано реєстрацію мінімальних концентрацій міді, ртуті, кадмію, фенолів. Один із найпоширеніших пестицидів - токсафен - при вмісті 1:108 (1 частина на 100 млн.) викликає загибель деяких риб (наприклад, гамбузій), незворотні зміни в печінці та зябрах сомів та форелі.

Витік нафти при видобутку та транспортуванні призводить до утворення на поверхні річок та морів нафтової плівки (понад 40% усієї нафти видобувається на шельфі). За спостереженнями із супутників, забруднено близько 10-15% поверхні світового океану. Нафта з поверхні поступово випаровується та розкладається бактеріями, але це відбувається повільно. Гине безліч водних птахів, знищується планктон, а за ним і його основні споживачі - жителі морських глибин. " Бентична пустеля"у Балтійському морі охоплює понад 20% поверхні дна. Нафта перешкоджає збагаченню вод киснем. В результаті порушується газовий баланс гідросфери з атмосферою та зміщується екологічна рівновага.

Інтенсивний видобуток риби та молюсків виснажив багато шельфових екосистем.

Руйнування ґрунтів. Велика оранка степів у нашій країні та США стала причиною запорошених бур, що забрали мільйони гектарів найродючіших земель. Для відтворення сантиметрового шару ґрунту природі потрібно 100-300 років! В даний час близько 1/3 оброблених угідь втратили 50% родючого шару через різні види ерозії. Щорічно через ерозію втрачається близько 3 млн. га, через опустелювання - 2 млн. га, внаслідок отруєння хімічними речовинами - 2 млн. га.

Ґрунти багатьох сільськогосподарських районів виявилися засоленими. У Пріараллі це сталося в результаті запорошених соляних бур, в інших районах - від неправильної організації стоку зрошувальних вод. Надлишок води викликає підйом до поверхні багатих солями ґрунтових вод. Інтенсивне випаровування засолення верхніх горизонтів грунту, і через кілька років на таких землях стає неможливим вирощувати сільськогосподарські культури. Засолення ґрунту ще 4000 років тому призвело до занепаду сільського господарства у Месопотамії. Іригаційні води спочатку забезпечували там добрі врожаї, але внаслідок інтенсивного випаровування викликали хімічну деградацію ґрунту.

Велика проблема пов'язана і з фізичною деградацією земель, що обробляються - сильним ущільненням важкими сільськогосподарськими машинами.

Втрата природної різноманітності видів.Значна частина тварин та рослин мешкає у лісових біоценозах. Якщо 1500 років тому ліси займали 7 млрд га планети, то сьогодні - не більше 4 млрд га. Особливо варварськи йде вирубка тропічних лісів, у яких зосереджено близько 80% всіх видів рослин планети. Тропічні ліси розташовані переважно у слаборозвинених країнах, котрим продаж деревини - одне з основних джерел доходу. Ліси у тропіках скоротилися до 7% території суші, і якщо темпи їх знищення збережуться, то до 2030 р. від них залишиться лише чверть.

У Центральній Росії практично знищені хвойні ліси, інтенсивно вирубуються найцінніші та найдоступніші для техніки лісові масиви Сибіру та Далекого Сходу. Зі знищенням лісів порушується клімат, деградують ґрунти, вмирають річки, зникають тварини та рослини.

Унікальний ліс у басейні Амазонки вирубують на 2% на рік. У Гаїті ще 20 років тому ліси займали 80% території, сьогодні лише 9%. Через хижацьку вирубку щороку безповоротно зникають тисячі видів рослин, на межі зникнення знаходяться близько 20 тис. видів квіткових, 300 видів ссавців, 350 видів птахів. Зі зникненням кожного виду рослин вимирає від 5 до 35 видів тварин (в основному безхребетних), екологічно з ним пов'язаних.

Щорічно в Європі знищується близько 300 млн. мігруючих та зимуючих птахів, 55 млн. особин болотної, польової та лісової дичини, у США – 2,5 млн. жалобних голубів, у Греції – 3 млн. шпаків, на о. Майорка – 3,5 млн. дроздів.

З розвитком сільського господарства майже повністю зникли степи Євразії. Варварськи руйнуються екосистеми тундри. У багатьох районах океану перебувають під загрозою зникнення коралових рифів.

Видове розмаїття - це краса, а й необхідний чинник стійкості біосфери. Екосистеми здатні протистояти зовнішнім біотичним, кліматичним, токсичним впливам, якщо населені досить великою кількістю різноманітних видів. В одному з досліджень вчені вносили в екосистеми отруйну речовину фенол. Нейтралізують фенол лише бактерії, але виявилося, що нейтралізація ефективніше відбувається в екосистемі з великою різноманітністю організмів. Зникнення видів - це непоправна втрата біосфери і реальна небезпека для виживання людства.

Різноманітність рослинності розширює можливості підтримки здоров'я. Величезна кількість ліків сьогодні виготовляється з дикорослих рослин. Ми ще не знаємо всіх корисних якостей рослин, не можемо припустити, які нам знадобляться. У 1960 р. виживали лише 20% дітей, хворих на лейкемію, сьогодні - 80%, т.к. в одному з лісових тропічних рослин Мадагаскару вченим вдалося знайти активні речовини для боротьби з цією хворобою. Втрачаючи видову різноманітність, ми втрачаємо своє майбутнє.

В даний час існує міжнародна програма зі збереження рідкісних та зникаючих видів флори та фауни.

Радіоактивне зараження атмосфери. Радіоактивні частинки в атмосферних потоках швидко поширюються на великі відстані, заражаючи грунт та водоймища, рослини та тварин. Через чотири місяці після кожного ядерного вибуху на атолах Тихого океану радіоактивний стронцій виявлявся у молоці європейських жінок.

Радіоактивні ізотопи особливо небезпечні тим, що можуть замінювати в організмах інші елементи. Стронцій-90 за властивостями близький до кальцію і накопичується в кістках, цезій-137 подібний до калію і концентрується в м'язах. Особливо багато радіоактивних елементів накопичується в організмах консументів, які споживали заражені рослини та тварин. Так, в організмах ескімосів Аляски, які харчувалися м'ясом оленів, було виявлено дуже багато цезію-137. Олені харчуються лишайниками, що накопичують за своє тривале життя значну кількість радіоактивних ізотопів. Їх вміст у лишайниках у тисячі разів перевищує ґрунтове. У тканинах оленів ця кількість зростає ще втричі, а в організмах ескімосів радіоактивного цезію виявляється удвічі більшою, ніж у оленів. Смертність населення деяких арктичних районів від злоякісних утворень помітно вища за середню.

Особливо довго зберігається радіація після аварій на АЕС. Під час чорнобильської катастрофи радіоактивні частки здійнялися на висоту 6 км. Атмосферними потоками вони першого ж дня поширилися над Україною та Білорусією. Потім хмара розділилася, одна її частина на другий-четвертий день опинилася над Польщею та Швецією, до кінця тижня перетнула Європу і на 10-й день досягла Туреччини, Лівану та Сирії. Інша частина хмари за тиждень перетнула Сибір, на 12-й день опинилася над Японією, і на 18-й день після аварії радіоактивна хмара відвідала Північну Америку.

Вивчення біосферних процесів допомагає зрозуміти важливість кожної частинки створеного світу та усвідомити хворобливий стан розуму сучасної людини. На Заході, а тепер і в Росії переважає прагнення комфортного американського способу життя як найвищого добра. Що ж таке Америка очима еколога? Це 5,5% населення планети, 40% споживання природних ресурсів та 70% шкідливих викидів! Така ціна розкішного життя за рахунок інших народів та майбутнього планети.

Настав час тверезо поставитися до бажань все більших матеріальних благ і зрозуміти, що стратегія індустріально-споживчого суспільства веде нас до катастрофи. Якщо в найближчі десятиліття ми не перейдемо до правильних духовних орієнтирів, то нащадкам дістанеться проблема виживання. Ми повинні згадати про дбайливе ставлення один до одного і до нашої рідної планети - безцінного багатства, довіреного нам Творцем.

1. Опишіть чотири основні наслідки забруднення атмосфери. Як поширюються забруднюючі речовини?
2. Чим небезпечне іригаційне землеробство?
3. Які негативні наслідки надлишку добрив?
4. Чому вчені вважають небезпечним для людини скорочення видового різноманіття екосистем?
5. Чи є забруднення довкілля наслідком бездуховності нашої цивілізації? З чого потрібно розпочати оздоровлення планети?

Глобальний кругообіг уо ди

Кругообіги води та СО2 у глобальному масштабі є, ймовірно, найважливішими для людства біогеохімічними круговоротами. Для обох характерні невеликі, але рухливі фонди в атмосфері, високочутливі з порушенням, які викликаються діяльністю людини і які можуть впливати на погоду та клімат.

Незважаючи на те, що вода бере участь у хімічних реакціях, з яких складається і фотосинтез, більша частина потоку води, що проходить через екосистему, пов'язана з випаровуванням, транспірацією (випаровування рослинами) та випаданням опадів.

Кругообіг води, або гідрологічний цикл, як і будь-який інший кругообіг, наводиться в рух енергією. Поглинання світлової енергії рідкою водою є головною точкою, в якій джерело енергії пов'язане з кругообігом води. За оцінками, близько третини всієї сонячної енергії, що надходить на Землю, витрачається на приведення в рух кругообігу води.

Більше 90 % наявної на земній кулі води пов'язано у гірських породах, що утворюють земну кору, та у відкладеннях (льоду та снігу) на поверхні Землі. Ця вода вступає в гідрологічний цикл, що відбувається в екосистемі, дуже рідко: лише при вулканічних викидах водяної пари. Таким чином, великі запаси води, що є в земній корі, роблять дуже незначний внесок у пересування води поблизу поверхні Землі, складаючи основу резервного фонду цього круговороту.

Фонд води у атмосфері невеликий (становить близько 3%). Вода, що міститься в повітрі у вигляді пари в будь-який момент, відповідає в середньому шару товщиною 2,5 см, рівномірно розподіленому по поверхні Землі. Кількість опадів, що випадають за рік, становить у середньому 65 см, що в 25 разів більше за ту кількість вологи, яка міститься в атмосфері в будь-який даний момент. Отже, водяні пари, які постійно містяться в атмосфері, так званий атмосферний фонд, щорічно здійснюють кругообіг 25 разів. Відповідно, час перенесення води в атмосфері дорівнює в середньому двом тижням.

Зміст води у ґрунті, річках, озерах та океанах у сотні тисяч разів більший, ніж в атмосфері. Однак вона протікає через обидва ці фонди з однаковою швидкістю, оскільки випаровування збалансоване з випаданням опадів. Середній час перенесення води в її рідкій фазі по поверхні Землі, що дорівнює 3650 років, у 105 разів більше, ніж час її перенесення в атмосфері.

Особливу увагу слід звернути на такі аспекти кругообігу води:

1. Море втрачає через випаровування більше води, ніж отримує з опадами; на суші ситуація протилежна. Т.о. значна частина опадів, що підтримують екосистеми суші, зокрема більшість агроекосистем, складається з води, випарованої з моря.
2. Важлива, якщо не головна роль транспірації рослин у загальній евапотранспірації (випаровуванні) із суші. Вплив, що робиться рослинністю на рух води, виявляється найкраще при видаленні рослинності. Так експериментальна вирубка всіх дерев у басейнах невеликих річок збільшує стік води в річки, що дренують розчищені ділянки, більш ніж на 200%. У нормальних умовах цей надлишок у вигляді водяної пари траспірувався безпосередньо в атмосферу.
3. Хоча поверхневий стік поповнює резервуари ґрунтових вод і поповнюється від них, ці величини мають зворотну залежність. Внаслідок діяльності людини (покриття земної поверхні непроникними для води матеріалами, створення водосховищ на річках, будівництва зрошувальних систем, ущільнення орних земель, зведення лісів тощо) стік збільшується і поповнення такого важливого фонду ґрунтових вод скорочується. У багатьох посушливих районах резервуари ґрунтових вод зараз швидше викачуються людиною, ніж поповнюються природою.

Біогеохімічні цикли вуглецю, азоту та кисню найбільш досконалі. Завдяки великим атмосферним резервам вони здатні до швидкої саморегуляції.

Глобальний кругообіг вуглецю

У кругообігу вуглецю, а точніше найбільш рухомої його форми СО2, чітко простежується трофічний ланцюг: продуценти, що вловлюють вуглець з атмосфери при фотосинтезі, консументи поглинають вуглець разом з тілами продуцентів і консументів нижчих . У біологічному кругообігу вуглецю беруть участь лише органічні сполуки та діоксид вуглецю. Весь асимільований у процесі фотосинтезу вуглець входить у вуглеводи, а процесі дихання вуглець, що міститься в органічних сполуках, перетворюється на діоксид вуглецю.

Великі фонди вуглецю неорганічного походження - атмосферний діоксид вуглецю, розчинений діоксид вуглецю (головним чином у формі HCO3-), вугільна кислота та карбонатні відкладення - беруть участь у кругообігу вуглецю різною мірою. Обмін між вуглецем, що міститься у вивержених породах, відкладеннях карбонату кальцію, кам'яному вугіллі та нафті, та іншими активнішими його фондами відбувається настільки повільно, що вплив цього вуглецю на короткострокове функціонування екосистем незначний.

У кругообігу СО2 атмосферний фонд дуже невеликий, порівняно із запасами вуглецю в океанах, у викопному паливі та інших резервуарах земної кори. Вважають, що до настання індустріальної ери потоки вуглецю між атмосферою, материками та океанами було збалансовано.

В основі цього балансу лежить регулююча діяльність зелених рослин та поглинаюча здатність карбонатної системи моря. Коли понад 2 млрд. років тому Землі з'явилося життя, атмосфера складалася з вулканічних газів. У ній було багато СО2 і мало кисню (а можливо, його не було зовсім), і перші організми були анаеробними. Внаслідок того, що продукція в середньому трохи перевершувала дихання, за геологічне час в атмосфері накопичився кисень і зменшився вміст СО2. Накопичення кисню сприяли також геологічні та суто хімічні процеси, наприклад вивільнення його з оксидів заліза або утворення відновлених сполук азоту та розщеплення води ультрафіолетовим випромінюванням з виділенням кисню. Низький вміст СО2, також як високі концентрації О2 служать лімітуючими факторами для фотосинтезу: для більшості рослин характерно збільшення інтенсивності фотосинтезу, якщо в експерименті збільшується вміст CO2 або знижується вміст О2. Таким чином, зелені рослини виявляються дуже чутливим регулятором вмісту цих газів.

Фотосинтезуючий "зелений пояс" Землі та карбонатна система моря підтримують постійний рівень вмісту СО2 в атмосфері. Але в останньому столітті стрімко зростаюче споживання горючих копалин разом із зменшенням поглинальної здатності "зеленого пояса" починає перевершувати можливості природного контролю, отже зміст СО2 у атмосфері, нині поступово зростає. Справді, найбільших змін схильні потоки речовин на вході та на виході невеликих обмінних фондів. Вважають, що на початку промислової революції (приблизно 1800) в атмосфері Землі містилося близько 290 частин СО2 на мільйон (0,029%). У 1958 р., коли було вперше проведено точні виміри, зміст становило 315, а 1960 р. воно зросло до 335 частин мільйон. Якщо концентрація вдвічі перевищить доіндустріальний рівень, що може статися до середини майбутнього століття, ймовірно потепління клімату Землі: температура в середньому підвищиться на 1,5 - 4,5 ° С, і це поряд з підйомом рівня моря (внаслідок танення полярних шапок) і зміною розподілу опадів може занапастити сільське господарство.

Вважають, що в наступному столітті може встановитися нова, але ненадійна рівновага між збільшенням вмісту СО2 (що сприяє розігріву Землі) та посиленням забруднення атмосфери пилом та іншими частинками, що відображають випромінювання і цим охолоджують планету. Будь-яка значна результуюча зміна теплового бюджету Землі тоді вплине на клімат.

Основним джерелом надходження "парникового газу" СО2 вважається спалювання горючих копалин, однак свій внесок роблять також розвиток сільського господарства та зведення лісів. Може здатися дивним, що сільське господарство зрештою призводить до втрати СО2 із ґрунту (тобто вносить в атмосферу більше, ніж забирає звідти), але річ у тому, що фіксація СО2 сільськогосподарськими культурами, багато з яких активні лише частину року, не компенсує кількості СО2, що вивільняється з ґрунту, особливо в результаті частої оранки. Ліси - важливі накопичувачі вуглецю, оскільки у біомасі лісів міститься у 1,5 разу, а лісовому гумусі - вчетверо більше вуглецю, ніж у атмосфері. Зведення лісу, зрозуміло, може звільнити вуглець, накопичений у деревині, якщо вона негайно спалюється. Знищення лісу, особливо в подальшому використанні цих земель для сільського господарства чи будівництва міст, призводить до окислення гумусу.

Крім СО2 в атмосфері присутні в невеликих кількостях ще дві сполуки вуглецю: оксид вуглецю (СО) - приблизно 0,1 частини на мільйон і метан (CH4) - близько 1,6 частини на мільйон. Як і СО2 ці сполуки знаходяться в швидкому кругообігу і тому мають невеликий час перебування в атмосфері - близько 0,1 року для СО; 3,6 року для СH4 та 4 роки для СО2.

І СО і СH4 утворюються при неповному або анаеробному розкладанні органічної речовини; в атмосфері обидва окислюються до СО2. Стільки ж ЗІ, скільки потрапляє в атмосферу в результаті природного розкладання, вноситься до неї зараз при неповному згорянні горючих копалин, особливо з вихлопними газами. Накопичення монооксиду вуглецю - цієї смертельної отрути для людини - у глобальному масштабі не є загрозою, але в містах, де повітря застоюється, підвищення концентрації цього газу в атмосфері починає ставати загрозливим, досягаючи 100 частин на мільйон.

Виробництво метану - одна з найважливіших функцій водно-болотистих угідь та мілководних морів світу. Метан, як гадають, має корисну функцію: він підтримує стабільність озонного шару у верхній атмосфері, який блокує смертельно небезпечне ультрафіолетове випромінювання Сонця. Біотичний кругообіг вуглецю - складова частина великого кругообігу, він пов'язаний з життєдіяльністю організмів. Швидкість обороту СО2 становить близько 300 років (повна заміна їх у атмосфері).

Кругообіг кисню

Другим за вмістом атмосфери після азоту є кисень, що становить 20,95% її за обсягом. Набагато більша його кількість знаходиться у зв'язаному стані в молекулах води, в солях, а також в оксидах та інших твердих породах земної кори, проте до цього величезного фонду кисню екосистема не має безпосереднього доступу. Час перенесення кисню в атмосфері становить близько 2500 років, якщо знехтувати обмін кисню між атмосферою та поверхневими водами. У первинній атмосфері землі вміст О2 був дуже низьким, проте з появою фотосинтезуючих організмів він став важливою складовою атмосфери. Протягом багатьох. млн років концентрація О2 в атмосфері поступово зростала, досягнувши наст, часу 21% (за обсягом). Практично весь О2 був утворений в результаті фотосинтезу ціанобактерії, а згодом і зеленими рослинами. Видалення кисню з атмосфери відбувається в результаті його поглинання живими організмами при аеробному диханні, при спалюванні викопного палива та при утворенні оксидів (оксидів). При диханні та спалюванні викопного палива утворюється вуглекислий газ (діоксид вуглецю, СО2), який знову використовується у фотосинтезі процесі, що призводить, у свою чергу, до вивільнення кисню в атмосферу, завершуючи таким чином цикл. Кругообіг кисню в природі аналогічний в основному кругообігу вуглецю в природі.

Біогеохімічний цикл азоту.

Безумовно, цикл азоту - один із найскладніших і одночасно найвразливіших кругообігів (рис.). Незважаючи на велику кількість організмів, що беруть участь у ньому, він забезпечує швидку циркуляцію азоту в різних екосистемах. Як правило, у кількісному відношенні азот слідує за вуглецем, разом з яким він бере участь в утворенні білкових сполук. Азот, що входить до складу білків та інших азотовмісних сполук, переводиться з органічної форми в неорганічну внаслідок діяльності ряду хемотрофних бактерій. Кожен вид бактерій виконує свою частину роботи, окислюючи амонію до нітритів і далі до нітратів. Однак нітрати, доступні для рослин, «вислизають» від них в результаті діяльності бактерій, що денітрифікують, які відновлюють нітрати до молекулярного азоту.

Цикл азоту характеризується великим резервним фондом у атмосфері. Повітря за обсягом майже 80 % складається з молекулярного азоту (N2) і є найбільший резервуар цього елемента. У той же час недостатній вміст азоту в ґрунті часто лімітує продуктивність окремих видів рослин та всієї екосистеми загалом. Всі живі організми потребують азоту, використовуючи його в різних формах для утворення білка та нуклеїнових кислот. Але лише небагато мікроорганізмів можуть використовувати газоподібний азот з атмосфери. На щастя, мікроорганізми, що фіксують азот, перетворюють молекулярний азот в доступні рослинам іони амонію. Крім того, в атмосфері постійно відбувається утворення нітратів неорганічним шляхом, але це явище відіграє лише допоміжну роль у порівнянні з діяльністю нітрифікуючих організмів.

Біогеохімічні цикли фосфору та сірки

Біогеохімічні цикли фосфору і сірки, найважливіших біогенних елементів, значно менш досконалі, оскільки їх основна маса міститься у резервному фонді земної кори, в «недоступному» фонді.

Кругообіг сірки і фосфору типовий осадовий біогеохімічний цикл. Такі цикли легко порушуються від різного роду впливів і частина матеріалу, що обмінюється, виходить з круговороту. Повернутися знову до кругообігу вона може лише в результаті геологічних процесів або шляхом вилучення живою речовиною біофільних компонентів.

Фосфор

Фосфор міститься у гірських породах, що утворилися у минулі геологічні епохи. У біогеохімічний кругообіг (мал.) він може потрапити у разі підйому цих порід із глибини земної кори на поверхню суші, у зону вивітрювання. Ерозійними процесами він виноситься в море у вигляді широко відомого мінералу апатиту.

Загальний кругообіг фосфору можна розділити на дві частини - водну і наземну. У водних екосистемах він засвоюється фітопланктоном і передається по трофічному ланцюгу аж до консументів третього порядку морських птахів. Їхні екскременти (гуано) знову потрапляють у море і вступають у кругообіг, або накопичуються на березі і змиваються в морі.

З морських тварин, що відмирають, особливо риб, фосфор знову потрапляє в море і в кругообіг, але частина скелетів риб досягає великих глибин і укладений в них фосфор знову потрапляє в осадові породи.

У наземних екосистемах фосфор витягують рослини з ґрунтів і далі він поширюється трофічною мережею. Повертається в ґрунт після відмирання тварин і рослин та з їх екскрементами. Втрачається фосфор із ґрунтів внаслідок їх водної ерозії. Підвищений вміст фосфору на водних шляхах його перенесення викликає бурхливе збільшення біомаси водних рослин, «цвітіння» водойм та їх евтрофікацію. Більша ж частина фосфору виноситься в море і там втрачається безповоротно.

Остання обставина може призвести до виснаження запасів фосфоровмісних руд (фосфоритів, апатитів та ін.). Отже, треба прагнути уникнути цих втрат і не чекати на той час, коли Земля поверне на сушу «втрачені відкладення».

Сірка

Сірка також має основний резервний фонд у відкладеннях та ґрунті, але на відміну від фосфору у неї є резервний фонд та в атмосфері (рис.). У обмінному фонді головна роль належить мікроорганізмам. Одні з них відновники, інші окислювачі.

У гірських породах сірка зустрічається у вигляді сульфідів (FeS2 та ін), у розчинах у формі іона (S042~), в газоподібній фазі у вигляді сірководню (H2S) або сірчистого газу (S02). У деяких організмах сірка накопичується в чистому вигляді (S2) і при їхньому відмиранні на дні морів утворюються поклади самородної сірки.

У морському середовищі сульфат-іон займає друге місце за вмістом після хлору та є основною доступною формою сірки, яка відновлюється автотрофами та включається до складу амінокислот.

Кругообіг сірки, хоча її потрібно організмам у невеликих кількостях, є ключовим у загальному процесі продукування та розкладання (Ю. Одум, 1986). Наприклад, при утворенні сульфідів заліза фосфор перетворюється на розчинну форму, доступну для організмів.

У наземних екосистемах сірка повертається у ґрунт при відмиранні рослин, захоплюється мікроорганізмами, які відновлюють її до H2S. Інші організми та вплив самого кисню призводять до окислення цих продуктів. Утворені сульфати розчиняються і поглинаються рослинами з порових розчинів грунту так триває кругообіг.

Однак кругообіг сірки, так само як і азоту, може бути порушений втручанням людини і виною тому насамперед спалювання викопного палива, а особливо вугілля. Сірчистий газ (S02t) порушує процеси фотосинтезу та призводить до загибелі рослинності.

Біогеохімічні цикли легко порушуються людиною. Так, видобуючи мінеральні добрива, він забруднює воду та повітряне середовище. У воду потрапляє фосфор, викликаючи евтрофікацію, утворюються азотисті високотоксичні сполуки та ін. Іншими словами, кругообіг стає не циклічним, а ациклічним. Охорона природних ресурсів має бути, зокрема, спрямована на те, щоб ациклічні біогеохімічні процеси перетворити на циклічні.

Таким чином, загальний гомеостаз біосфери залежить від стабільності біогеохімічного круговороту речовин у природі. Але як планетарна екосистема, вона складається з екосистем усіх рівнів, тому першочергове значення для її гомеостазу мають цілісність і стійкість природних екосистем.