На головну

стабільність біосфери

  1.  Активність води і стабільність харчових продуктів
  2.  Атмосфера - зовнішня оболонка біосфери. Забруднення атмосфери
  3.  Біорізноманіття біосфери як результат її еволюції
  4.  У пошуках виходу: відповідь на загрози, пов'язані з нестабільністю сировинних цін
  5.  Г л а в а 1. ОСНОВНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ біосфери
  6.  Г л а в а 1. ОСНОВНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ біосфери
  7.  Г л а в а 5. Коеволюція біосфери і геосферно оболонок

Основою самопідтримки життя на Землі є біогеохімічні кругообіги. Процеси творення органічної речовини, що акумулює енергію, і протилежні процеси його розкладання з вивільненням цієї енергії однаково необхідні для існування життя. Всі доступні для живих організмів хімічні сполуки в біосфері мають межа. Вичерпність придатних для засвоєння хімічних речовин часто гальмує розвиток тих чи інших груп організмів в локальних ділянках суші або океану. За висловом академіка В. Р. Вільямса, єдиний спосіб надати кінцевому властивості нескінченного - це змусити його обертатися по замкненій кривій. Всі хімічні елементи, які використовуються в процесах життєдіяльності організмів, здійснюють постійні переміщення, переходячи з живих тіл в з'єднання неживої природи і назад. Можливість багаторазового використання одних і тих самих атомів робить життя на Землі практично вічної за умови постійного припливу потрібної кількості енергії.

Глобальний біогеохімічний круговорот речовини на планеті є системою складно переплетених циклів окремих елементів, пов'язаних один з одним за аналогією з деталями годинникового механізму (рис. 163). Об'єднуючись в різних пропорціях в складі складних органічних молекул, синтезованих в живих тілах, атоми різних елементів поза живого речовини мають свою «долю» в атмосфері, гідросфері і літосфері. Кругообіг планетарного масштабу створюються з незліченних локальних циклічних переміщень атомів, рухомих життєдіяльністю організмів в окремих екосистемах, і тих переміщень, які викликаються дією ландшафтних і геологічних причин (поверхневий і підземний стік, вітрова ерозія, рух морського дна, вулканізм, горотворення і т. П. ). Розрізняють тому малі і великі кругообіг відповідно до обсягу розглянутих екосистем: локальні біологічні кругообіг, біогеохімічні цикли материків і океанів і, нарешті, загальнопланетарній биогеохимический круговорот.


Мал. 163. Сполучення циклів елементів в біосфері (по Г. А. Заварзін, 1998)

Разом з тим відмінна риса біологічних кругообігів - їх неповна замкнутість. Частина хімічних елементів і їх з'єднань постійно випадає із загальної циркуляції і накопичується поза організмів, створюючи свого роду запаси біогенних речовин. Так були накопичені кисень і азот в атмосфері, горючі копалини та інші породи земної кори. У масштабах геологічного часу навіть невелике нерівновага в створенні і руйнуванні органічних речовин призводить до спрямованого перетворення поверхневих шарів Землі.

Запаси біогенних речовин, мало доступні для живих організмів і повільно втягується тому в біологічний круговорот, складають так званий резервний фонд того чи іншого хімічного елемента в біосфері (наприклад, кальцію в карбонатних породах). Інша частина, інтенсивно циркулює між тілами організмів і навколишнім середовищем, називається рухомим, або обмінним, фондом. Співвідношення між резервним і обмінним фондами в біосфері у всіх біогенних елементів різні.

Вуглець.Вуглець як хімічний елемент є основою життя. Він може з'єднуватися різними способами з багатьма іншими елементами, утворюючи прості і складні органічні молекули, що входять до складу живих клітин. За поширенням на планеті вуглець займає одинадцяте місце (0,35% від ваги земної кори), але в живу речовину в середньому становить близько 18 або 45% від сухої біомаси.

В атмосфері вуглець входить до складу вуглекислого газу СО2, В меншій мірі - до складу метану СН4 або слідового кількості інших газоподібних сполук. У гідросфері СО2 розчинений у воді, і загальне його зміст набагато перевищує атмосферний. Океан служить потужним буфером регуляції СО2 в атмосфері: при підвищенні в повітрі його концентрації збільшується поглинання вуглекислого газу водою. Деяка частина молекул СО2 реагує з водою, утворюючи вугільну кислоту, яка потім дисоціює на іони НСО3і СО23. Ці іони реагують з катіонами кальцію або магнію з випаданням карбонатів в осад. Подібні реакції лежать в основі буферної системи океану, що підтримує сталість рН води. При підкисленні (збільшенні концентрації іонів Н+) Відбувається зсув вліво в ланцюзі: СО2 повітря > СО2 води > Н2СО3 > Са (НСО3)2 > СаСО3. При подщелачивании посилюється випадання в осад карбонатів кальцію.

Вуглекислий газ атмосфери і гідросфери є обмінний фонд у кругообігу вуглецю, звідки його черпають наземні рослини і водорості (рис. 164). Фотосинтез лежить в основі всіх біологічних кругообігів на Землі. Вивільнення фіксованого вуглецю відбувається в ході дихальної активності самих фотосинтезирующих організмів і всіх гетеротрофів - бактерій, грибів, тварин, що включаються в ланцюзі харчування за рахунок живого або мертвого органічної речовини.

Мал. 164. Кругообіг вуглецю в біосфері (по Б. Боліну, 1972)

Особливо активно відбувається повернення в атмосферу СО2 з грунту, де зосереджена діяльність численних груп деструкторов і редуцентов і здійснюється дихання кореневих систем рослин. Цей інтегральний процес позначається як «грунтову дихання» і вносить істотний внесок в поповнення обмінного фонду СО2 в повітрі. Паралельно з процесами мінералізації органічної речовини в грунтах утворюється гумус - багатий вуглецем складний і стійкий молекулярний комплекс. Гумус є носієм ґрунтової родючості, оскільки руйнується певними групами мікроорганізмів повільно і поступово, забезпечуючи рівномірне живлення рослин. Гумус грунтів є одним з важливих резервуарів вуглецю на суші.

У тих умовах, де діяльність деструкторів гальмується факторами зовнішнього середовища (наприклад, при виникненні анаеробного режиму в грунтах і на дні водойм), органічна речовина, накопичене рослинністю, не розкладається, перетворюючись з часом в такі породи, як кам'яний або буре вугілля, торф, сапропелі, горючі сланці та інші, багаті накопиченої сонячною енергією. Вони поповнюють собою резервний фонд вуглецю, надовго вимикаючись з біологічного кругообігу. Вуглець тимчасово депонується також в живій біомасі, в мертвому опаде, в розчиненому органічному речовині океану і т. П. Однак основним резервним фондом вуглецю на планеті є не живі організми і не горючі копалини, а осадові породи - вапняки і доломіт. Їх освіту також пов'язано з діяльністю живої речовини. Вуглець цих карбонатів надовго захоронюються в надрах Землі і надходить в кругообіг лише в ході ерозії при оголенні порід в тектонічних циклах.

У біологічному кругообігу беруть участь лише частки відсотка вуглецю від загального його кількості на Землі. Вуглець атмосфери та гідросфери багаторазово проходить через живі організми. Рослини суші здатні вичерпати його запаси в повітрі за 4-5 років, запаси в грунтовому гумусі - за 300-400 років. Основний повернення вуглецю в обмінний фонд відбувається за рахунок діяльності живих організмів, і лише невелика частина його (тисячні частки відсотка) компенсується виділенням з надр Землі в складі вулканічних газів.

В даний час потужним фактором перекладу вуглецю з резервного в обмінний фонд біосфери стає видобуток і спалювання величезних запасів горючих копалин.

За обліками в мережі глобального моніторингу це вже призводить до підвищення концентрації СО2 в атмосфері, наслідки чого для долі людського суспільства посилено обговорюються і вимагають науково обґрунтованого прогнозування.

Кисень.З вуглецевим циклом найтіснішим чином пов'язаний кругообіг кисню.

Своєю унікальною серед планет атмосферою з високим вмістом вільного кисню Земля зобов'язана процесу фотосинтезу. Кисень звільняється з молекул води і є по суті справи побічним продуктом фотосинтетичної активності рослин. Абиотическим шляхом кисень виникає у верхніх шарах атмосфери за рахунок фотодиссоциации парів води, але це джерело становить лише тисячні частки відсотка від поставляються фотосинтезом. Між вмістом кисню в атмосфері і гідросфері існує динамічна рівновага. У воді його приблизно в 21 разів менше на рівний обсяг у порівнянні з повітрям.

Що виділився кисень інтенсивно витрачається на процеси дихання всіх аеробних організмів і на окислення різноманітних мінеральних сполук. Ці процеси відбуваються в атмосфері, грунті, воді, мулі і гірських породах. Показано, що значна частина кисню, пов'язаного в осадових породах, має фотосинтетичне походження. Обмінний фонд Про2 в атмосфері становить не більше 5% від загальної продукції фотосинтезу. Багато анаеробні бактерії також окислюють органічні речовини в процесі анаеробного дихання, використовуючи для цього сульфати або нітрати.

Накопичення кисню в атмосфері і гідросфері відбувається в геологічній історії в результаті неповної замкнутості циклу вуглецю. На повне розкладання органічної речовини, створюваного рослинами, потрібно точно така ж кількість кисню, яка виділилася при фотосинтезі. Поховання органіки в осадових породах, вугіллі, торфу послужило основою підтримки обмінного фонду кисню в атмосфері. Весь наявний в ній кисень проходить повний цикл через живі організми приблизно за 2000 років.

В даний час значна частина кисню атмосфери зв'язується в результаті роботи транспорту, промисловості та інших форм антропогенної діяльності. За розрахунками, людство витрачає вже більше 10 млрд т вільного кисню із загальної кількості в 430-470 млрд т поставляються процесами фотосинтезу. Якщо врахувати, що в обмінний фонд надходить лише невелика частина фотосинтетичного кисню, діяльність людей в цьому відношенні починає набувати загрозливих масштабів.

Вода.В ході фотосинтезу рослини використовують водень води в побудові органічних сполук, звільняючи молекулярний кисень. У процесах дихання всіх живих істот, при окисленні органічних сполук вода утворюється знову. В історії життя вся вільна вода гідросфери багаторазово пройшла цикли розкладання і новоутворення в живу речовину планети.

Крім біологічних циклів на Землі також здійснюється глобальний кругообіг води, який рухається енергією Сонця. Вода випаровується з поверхні водойм і суші і потім знову надходить на Землю у вигляді опадів. Над океаном випаровування перевищує опади, над сушею - навпаки. Ці відмінності компенсуються річковим стоком. У глобальному кругообігу води рослинність суші грає важливу роль. Транспірація рослин на окремих ділянках земної поверхні може скласти до 80-90% випадають тут опадів, а в середньому по всіх кліматичних поясів - близько 30%. В історії біосфери поява наземної рослинності викликало за рахунок транспірації перерозподіл опадів над морем і сушею і тим самим побічно вплинуло на розміри річкового стоку і процеси фізичного і хімічного вивітрювання.

Азот.В атмосфері і живу речовину міститься менше 2% всього азоту на Землі, але саме він підтримує життя на планеті. Азот входить до складу найважливіших органічних молекул - ДНК, білків, ліпопротеїдів, АТФ, хлорофілу та інших. У рослинних тканинах його співвідношення з вуглецем становить в середньому 1: 30, а в морських водоростях 1: 6. Біологічний цикл азоту тому також тісно пов'язаний з вуглецевим.

Молекулярний азот атмосфери недоступний рослинам, які можуть засвоювати цей елемент тільки у вигляді іонів амонію, нітратів або з грунтових або водних розчинів. Тому недолік азоту часто є чинником, що лімітує первинну продукцію. Проте атмосферне азот широко залучається до біологічний кругообіг завдяки діяльності прокаріотів (рис. 165). Здатністю до фіксації молекулярного азоту мають дуже багато прокаріотів. Великою мірою вона розвинена у фотосинтезуючих синьо-зелених водоростей (ціанобактерій). Активно фіксують азот вільно живуть в грунті бактерії роду Azotobacter, а також бульбочкові бактерії Rhizobium, які живуть на коренях рослин сімейства бобових. При цьому може зв'язуватися до 400 кг азоту на га на рік. Відмираючи, бактеріальні клітини збагачують грунт азотними сполуками, доступними для рослин. Симбіотичні форми постачають хазяїна і за рахунок прижиттєвих виділень.


Мал. 165. Кругообіг азоту в біосфері (по К. Делвічу, 1972)

У кругообігу азоту беруть велику участь також аммоніфіцірующіе мікроорганізми. Вони розкладають білки та інші містять азот органічні речовини до утворення аміаку. У аммонийной формі азот частиною знову поглинається корінням рослин, а частиною перехоплюється нітріфіцірующімі мікроорганізмами. Вони використовують для себе хімічну енергію, окислюючи аміак спочатку в нітритну форму (бактерії Nitrosomonas). Окислення нітритів в нітрати виробляють бактерії роду Nitrobacter. Утворилися нітрати знову використовуються рослинами під час фотосинтезу.

Прямо протилежна за функціями група мікроорганізмів - денітрифікатори.

В анаеробних умовах в грунтах або водах вони використовують кисень нітратів для окислювання органічних речовин, отримуючи енергію для своєї життєдіяльності. Азот при цьому відновлюється до молекулярного. Азотфіксация і денітрифікація в природі приблизно врівноважені. Цикл азоту, таким чином, залежить переважно від діяльності бактерій, тоді як рослини вбудовуються в нього, використовуючи проміжні продукти цього циклу і набагато збільшуючи масштаби азотної циркуляції в біосфері за рахунок продукування своєї біомаси. Обсяги мікробної фіксації азоту становлять до 2,5 т на км2 на рік.

Небіологічних фіксація азоту і надходження в грунту його окислів і аміаку відбувається також з дощовими опадами при іонізації атмосфери і грозових розрядах. В середньому це дає близько 1 т пов'язаного азоту на км2 на рік.

Сучасна промисловість добрив фіксує азот атмосфери в розмірах, що перевищують природну азотфіксацию з метою збільшення продукції сільськогосподарських рослин.

Високі дози азотних добрив призводять, однак, до вимивання нітратів в грунтові води, водойми і в кінцевому рахунку - питну воду, а також до надлишку їх в продуктах харчування, що є небезпечним для людини. Таким же джерелом забруднень служать стічні води з високим вмістом амонію. На його окислення до нітратів витрачається розчинений у воді кисень, що часто буває згубно для гідробіонтів. Таким чином, діяльність людини все сильніше впливає на кругообіг азоту, в основному в бік перевищення перекладу його в пов'язані форми над процесами повернення в молекулярне стан.

Фосфор.Цей елемент, необхідний для синтезу багатьох органічних речовин, включаючи АТФ, ДНК, РНК, засвоюється рослинами тільки у вигляді іонів ортофосфорної кислоти (РО3+4). Він відноситься до елементів, що лімітує первинну продукцію і на суші, і особливо в океані, оскільки обмінний фонд фосфору в ґрунтах і водах невеликий. Кругообіг цього елемента в масштабах біосфери незамкнутого.

На суші рослини черпають з грунту фосфати, звільнені редуцентамі з розкладаються органічних залишків, але в лужному або кислому ґрунті розчинність фосфорних сполук різко падає. Основний резервний фонд фосфатів міститься в гірських породах, створених на дні океану в геологічному минулому. В ході вилуговування порід частина цих запасів переходить в грунт і у вигляді суспензій і розчинів вимивається в водойми. У гідросфері фосфати використовуються фітопланктоном, переходячи по ланцюгах харчування в інших гідробіонтів. Однак в океані більша частина фосфорних сполук захоронюються з залишками тварин і рослин на великих глибинах і не потрапляє знову в фотичного зону, переходячи з осадовими породами в великий геологічний кругообіг. На глибині розчинені фосфати зв'язуються з кальцієм, утворюючи фосфорити і аппатіто. У біосфері, по суті справи, відбувається односпрямований потік фосфору з гірських порід суші в глибини океану, і обмінний фонд його в гідросфері дуже обмежений. Біологічна продуктивність океану різко підвищується в районах, де збільшується доступність фосфору для фітопланктону - при знесенні його річковими водами, у узбереж морів і в зонах так званого апвеллинга - висхідних океанічних течій, які повертають фосфорні сполуки з дна в освітлені шари води.

Наземні поклади фосфоритів і аппатіто розробляються в якості добрив. Знесення надлишкового фосфору в прісні водойми є однією з головних причин їх «цвітіння» - бурхливої ??евтрофікації.

Сірка.Кругообіг сірки, необхідної для побудови ряду амінокислот, відповідальних за тривимірну структуру білків, підтримується в біосфері широким спектром бактерій. В окремих ланках цього циклу беруть участь аеробні мікроорганізми, що окислюють сірку органічних залишків до сульфатів, а також анаеробні сульфатредуктори, відновлюють сульфати до сірководню, крім них - різні групи серобактерий, що окислюють сірководень до елементарної сірки і далі - сульфатів, тіонові бактерії, що переводять елементарну сірку також в солі сірчаної кислоти. Рослини засвоюють з грунту і води тільки іони SO24, Що поставляються їм діяльністю прокариотов.

Основне накопичення сірки відбувається в океані, куди сульфатні іони безперервно надходять з суші з річковим стоком. Частково сірка повертається в атмосферу при виділенні з вод сірководню і окислюється тут до двоокису, перетворюючись в дощовій воді в сірчану кислоту. Промислове використання великої кількості сульфатів і елементарної сірки і спалювання горючих копалин поставляють в атмосферу великі обсяги діоксиду сірки. Це шкодить рослинності, тваринам, людям і служить джерелом кислотних дощів, які поглиблюють негативні ефекти втручання людини в кругообіг сірки.

Як ми бачимо, кругообіг всіх біогенних елементів на планеті підтримуються складною взаємодією різних частин біосфери. Вони формуються діяльністю різних за функціями груп організмів, системою стоку і випаровування, що зв'язують океан і сушу, процесами циркуляції вод і повітряних мас, дією сил гравітації, тектонікою плит та іншими масштабними геологічними і геофізичними процесами. Біосфера діє як єдина складна система, в якій циркулюють з різною швидкістю атоми окремих елементів. Однак головним двигуном цих кругообігів є жива речовина планети, всі живі організми, що забезпечують процеси синтезу, трансформації і розкладання органічної речовини.




 Потік енергії в екосистемах |  Первинна і вторинна продукція |  Розподіл біологічної продукції |  циклічні зміни |  Сукцесії і дигрессии |  агроекосистеми |  Поняття про біосферу |  Розподіл життя у біосфері |  жива речовина |  Екологія і практична діяльність людини |

© um.co.ua - учбові матеріали та реферати