біологічний круговорот

В наші дні рослини і тварини перетворюють природне середовище. Прикладом тому можуть служити коралові рифи в океані, відкладення торфу на болотах, поширення лишайників, розселення водоростей, що руйнують гори, і мікроорганізмів. У біологічному кругообігу беруть участь практично всі хімічні елементи періодичної системи Д. І. Менделєєва, але серед них виділяються основні, життєво необхідні.

Вуглець. Джерела вуглецю в природі так само численні, як і різноманітні. Тим часом тільки вуглекислота, яка перебуває або в газоподібному стані в атмосфері, або в розчиненому стані в воді, є те джерело вуглецю, який служить основою для переробки його в органічну речовину живих істот. Захоплена рослинами вуглекислота в процесі фотосинтезу перетворюється в цукор, а іншими процесами біосинтезу перетворюється в протеїди, ліпіди і т. Д. Ці різні речовини служать вуглеводним харчуванням тваринам і не зеленим рослинам. З іншого боку, всі організми дихають і викидають в атмосферу вуглець у формі вуглекислоти. Коли ж настає смерть, то сапрофаги розкладають і минерализуют трупи, утворюючи ланцюги харчування, в кінці яких вуглець нерідко знову надходить в кругообіг в формі вуглекислоти (так зване «грунтову дихання»). Накопичуються мертві рослинні і тваринні залишки уповільнюють круговорот вуглецю: тварини-сапрофаги і сапрофітіческій мікроорганізми, що мешкають в грунті, перетворюють накопичені на її поверхні залишки в гумус. Швидкість впливу організмів на гумус далеко не однакова, а ланцюга грибів і бактерій, що призводять до остаточної мінералізації вуглецю, бувають різної довжини. Як правило, гумус розкладається швидко.
Іноді ланцюг може бути короткою і неповною. В цьому випадку ланцюг консументов позбавляється можливості діяти через нестачу повітря або занадто високій кислотності, в результаті чого органічні залишки накопичуються у формі торфу і утворюють торф'яні болота. У деяких торф'яних болотах з пишним покривом з сфагнових мохів шар торфу досягає 20 м і більше. Тут круговорот і призупиняється. Скупчення викопних органічних сполук у вигляді кам'яного вугілля і нафти свідчать про те, що круговорот сповільнилося в масштабах геологічного часу.

У воді також відбувається уповільнення кругообігу вуглецю, оскільки вуглекислота тут накопичується у вигляді крейди, вапняку, доломіту або коралів. Часто ці маси вуглецю залишаються поза кругообігу протягом цілих геологічних періодів, поки вони не піднімуться над рівнем моря. З цього моменту в результаті розчинення вапняку атмосферними опадами і підземними водами або під впливом лишайників, а також коренів квіткових рослин починається включення вуглецю і кальцію в кругообіг.

АЗОТ. Кругообіг азоту досить складний. Атмосфера містить 78% азоту, однак, для того щоб він міг бути використаний переважною більшістю живих організмів, він повинен бути зафіксований у вигляді певних хімічних сполук. Фіксація азоту відбувається в процесі вулканічної діяльності, при грозових розрядах в атмосфері, при згорянні метеоритів. Однак незрівнянно більше значення в процесі фіксації азоту мають мікроорганізми як вільно живуть, так і живуть на коренях, а іноді і на листках деяких рослин. З вільно живуть бактерій азот фіксують аеробні організми (т. Е. Що мешкають при доступі кисню), а також анаеробні (т. Е. Що мешкають без доступу кисню). Кількість азоту, фіксованої такими, що вільно живуть бактеріями, становить від 2 - 3 кг до 5 - 6 кг на 1 га в рік. Певну роль у фіксації азоту грають, мабуть, живуть у ґрунті синьо-зелені водорості.

Поступаючи в грунт з продуктами обміну речовин і залишками рослин і тварин, органічні речовини розкладаються до мінеральних, при цьому бактерії переводять азот органічних речовин в солі амонію.

Здатність азоту в широких межах змінювати валентність визначає його специфічну роль в створенні різноманітних органічних сполук.

Великий кругообіг води на поверхні земної кулі добре відомий. Викликається сонячною енергією випаровування з водних просторів створює атмосферну вологу. Ця волога конденсується у вигляді хмар, які переносяться вітром. При охолодженні хмар випадають опади у вигляді дощу і снігу. Опади поглинаються грунтом або стікають по її поверхні. Вода повертається в моря і океани. Кількість води, що випаровується рослинами, зазвичай велике. Якщо вологи і води для рослин багато, випаровування збільшується. Одна береза ​​випаровує за день 75 л води, бук- 100 л, липа -200 л, а 1 га лісу - від 20 до 50 тис. Л. Березняк, маса листя якого на 1 га становить лише 4940 кг, випаровує 47 тис. Л води в день, тоді як ялинник, маса хвої якого на 1 га дорівнює 31 тис. Кг. - тільки 43 тис. Л воли в лінь. Пшениця на 1 га використовує за період розвитку 3750 т води, що відповідає 375 мм опадів.

Кисень в кількісному відношенні - головна складова живої матерії. Якщо враховувати воду в тканинах, то, наприклад, тіло людини містить 62,8% кисню і 19,4% вуглецю. Якщо розглядати біосферу в цілому, кисень в порівнянні з вуглецем і воднем є її основним елементом.

Кругообіг кисню ускладнюється тим, що цей елемент може утворювати численні хімічні сполуки. В результаті виникає безліч проміжних циклів між літосферою і атмосферою або між гідросферою і двома цими середовищами.

Кисень, починаючи з певної концентрації, дуже токсичний для клітин і тканин навіть у аеробних організмів. Французький вчений Луї Пастер (1822 - 1895) довів, що ніякої живий анаеробний організм не може витримати концентрацію кисню, що перевищує атмосферну на 1% (ефект Пастера).

Кругообіг кисню відбувається в основному між атмосферою та живими організмами. Процес продукування і виділення кисню у вигляді газу під час фотосинтезу протилежний процесу його споживання при диханні. При цьому відбувається руйнування органічних речовин і взаємодія кисню з воднем. В деякому відношенні кругообіг кисня нагадує зворотний кругообіг вуглекислого газу: рух одного відбувається в напрямку, протилежному руху іншого.

Сірка. Переважна частина кругообігу цього елемента має осадочную природу і відбувається в грунті і воді. Основне джерело сірки, доступний живим істотам, - це всілякі сульфати. Хороша розчинність в воді багатьох сульфатів полегшує доступ неорганічної сірки в екосистеми. Поглинаючи сульфати, рослини їх відновлюють і виробляють сірковмісні амінокислоти.

Різні органічні відходи біоценозу розкладаються бактеріями, які, врешті-решт, виробляють сірководень з сульфопротеінов, що містяться в грунті. Деякі бактерії теж можуть виробляти сірководень з сульфатів, відновлюваних ними в анаеробних умовах. Ці бактерії, утилізуючи сульфати, отримують необхідну для їх обміну речовин енергію.

З іншого боку, існують бактерії, здатні знову окислити сірководень до сульфатів, що знову збільшує запас сірки, доступною продуцентів. Подібні бактерії називаються хемосінтезірующімі, так як вони можуть виробляти клітинну енергію без участі світла, тільки за рахунок окислення простих хімічних речовин. Отже, в біосфері осадові породи містять основні запаси сірки, яка зустрічається головним чином у вигляді піриту, а також і сульфатів, наприклад гіпс.

Фосфор. Кругообіг фосфору відносно простий і вельми не вичерпний. Фосфор - один з основних складових елементів живої речовини, в якому він міститься досить у великій кількості. Запаси фосфору, доступні живим істотам, повністю сконцентровані в літосфері. Головні джерела неорганічного фосфора - виверження вулканів породи (наприклад, апатити) або осадові породи (наприклад, фосфорити). Мінеральний фосфор - рідкісний елемент в біосфері, в земній корі його максимум 1%, що є основним фактором, що лімітує продуктивність численних екосистем. Неорганічний фосфор з порід земної кори залучається в циркуляцію шляхом вилуговування і розчинення в континентальних водах. Він потрапляє в екосистеми суші, поглинається рослинами, которі при його участі синтезують різні органічні сполуки, і таким чином включається в трофічні зв'язки. Потім органічні фосфати разом з трупами, відходами та виділеннями живих істот повертаються в землю, де знову піддаються впливу мікроорганізмів і перетворюються в мінеральні ортофосфати, готові до вживання зеленими рослинами та іншими автотрофами (від грец. Autos - сам і trophe - їжа, харчування).

У водні екосистеми фосфор приноситься текучими водами. Річки безперервно збагачують океани фосфатами, що сприяє розвитку фітопланктону і живих організмів, розташованих на різних рівнях харчових ланцюгів прісноводних або морських водойм. Історія будь-якого хімічного елемента в ландшафті складається з незліченної безлічі кругообігів, різних за масштабом і тривалості. Протилежні процеси - біогенна акумуляція і мінералізація - утворюють єдиний біологічний кругообіг атомів.

Тундрові ландшафти утворюються в умовах холодного клімату з коротким літнім періодом і тому малопродуктивні. Низькі температури повітря і грунту - першопричина багатьох особливостей тундри. З дефіцитом тепла пов'язані і «хвилі життя»: в роки з більш теплим літом зростає продукція живої речовини. Деякі рослини цвітуть у тундрі тільки в сприятливі роки (наприклад, іван-чай в арктичній тундрі). Рослини в тундрі ростуть повільно. Лишайники за рік виростають на 1 - 10 мм; ялівець на Кольському півострові з діаметром стовбура 83 мм може мати до 544 річних кілець. Позначається не тільки вплив низьких температур, а й відсутність достатньої кількості поживних елементів.

У багатьох тундрі велику роль відіграють мохи та лишайники. Є ландшафти, в яких вони переважають.

У тундрі Хібін біомаса рослин дорівнює 170,3 u / га, з них 72% припадає на підземну частину. Щорічний приріст біомаси складає 23,5 ц / га, а щорічний опад - 21,9 ц / га. Таким чином, істинний приріст, рівний різниці між приростом і опадом, дуже малий - 1,6 ц / га (в північній тайзі - 10 ц / га, в південній тайзі - 30 ц / га, у вологих тропіках - 75 ц / га) .

Через низьку температуру розкладання залишків організмів в тундрі протікає повільно, багато груп мікроорганізмів не функціонують або ж працюють дуже слабо (бактерії, які розкладають клітковину, і ін.). Це веде до накопичення органічних речовин на поверхні і в грунті.

Широколистяні ліси вУкаіни поширені в європейській частині, на Кавказі. Далекому Сході. Це все регіони вологого помірно-теплого клімату. Біомаса тут не набагато менше, ніж у вологих тропіках (3000 5000 ц / га), але щорічна продукція і зелена асимілююча маса менше в кілька разів. Продукція коливається від 80 до 150 ц / га (у вологих тропіках - 300 - 500 ц / га), зелена асимілююча маса в дібровах становить 1% біомаси і досягає 40 ц / га (8% і 400 ц / га у вологих тропіках).

Широколисті дерева порівняно багаті золою, особливо листя (до 5%). У золі листя багато Са - до 20% або 0,6 - 3,8% на суху речовину, менше К (0,15 - 2,0%) і Si (0,4 - 2,8%), ще менше Mg , А1, Р, а також Fe, Mn, Na, С1.

У тайзі біомаса не набагато поступається вологим тропіків і широколистяних лісах. У південній тайзі біомаса перевищує 3000 ц / га і тільки в північній тайзі знижується до 500 - 1500 ц / га. Зоомасси в тайзі незначна (в південній тайзі - 0,01% біомаси).

Більше 60% біомаси представлено деревиною, що складається з клітковини (близько 50%), лігніну (20 - 30%), геміцелюлози (більше 10%).

Щорічна продукція в південній тайзі майже така ж, як в широколистяних лісах (85 ц / га проти 90 ц / га в дібровах), в північній тайзі - набагато менше (40 - 60 ц / га). Рослинний опад в південній тайзі менше, ніж в дібровах, і дорівнює 55 ц / га (в дібровах 65 ц / га); в північній тайзі ще менше - 35 ц / га.

Степи і пустелі близькі за багатьма геохимическим властивостями. Біомаса в степах на порядок менше, ніж в лісових ландшафтах, - від 100 до 350 ц / га. Більша її частина на відміну від лісів зосереджена в коренях (70 - 90%). Біомаса тварин в чорноземних степах близько 6%. Щорічна продукція становить 13 - 50 ц / га, т. Е. 30 - 50% біомаси.

Щорічно в біологічний круговорот атомів в степах залучаються сотні кілограмів розчинних у воді речовин (на 1 га), т. Е. Значно більше, ніж в тайзі (лугові степи - 700 кг / га; південна тайга - 155 кг / га). У лугових степах з опадом щорічно повертаються 700 кг / га розчинних у воді речовин, в сухих - 150 кг / га (в ялинниках південної тайги - 120 кг / га). У опаде велику роль відіграють підстави, повністю нейтралізують органічні кислоти.

На відміну від лісових ландшафтів в грунтах степів накопичується в 20 - 30 разів більше органічної речовини, ніж в біомасі (в лугових степах - до 8000 ц / га гумусу; в сухих степах - 1000 - 1500 ц / га). Для степів і пустель найбільш характерні Са, Na і Mg, які накопичуються при засоленні в водах, ґрунтах і продуктах вивітрювання.