Кругообіг речовин в екосистемах
Всі живі організми в процесі життєдіяльності знаходяться в постійному і активній взаємодії з навколишнім середовищем. Суть цієї взаємодії полягає в обміні речовиною і енергією. Життєдіяльність екосистеми і круговорот речовин в ній можливі лише за умови постійного припливу енергії. Основне джерело енергії на Землі - сонячне випромінювання. Енергія Сонця перекладається фотосинтезуючими організмами в енергію хімічних зв'язків органічних сполук. Передача енергії по харчових ланцюгах підпорядковується другим законом термодинаміки: перетворення одного виду енергії в інший походите втратою частини енергії. При цьому її перерозподіл підпорядковується суворої закономірності: енергія, що отримується екосистемою і засвоюється продуцентами, розсіюється або разом з їх біомасою необоротно передається консументам першого, другого і інших порядків, а потім редуцентам з падінням потоку енергії на кожному трофічному рівні. У зв'язку з цим кругообігу енергії не буває.
На відміну від енергії, яка використовується в екосистемі тільки один раз, речовини використовуються багаторазово через те, що їх споживання і перетворення відбувається по колу. Цей круговорот здійснюється живими організмами екосистеми (продуцентами, консументами, редуцентами) і називається біологічним кругообігом речовин. Під біологічнимкруговоротом розуміється надходження хімічних елементів з грунту і атмосфери в живі організми, в яких вступники елементи перетворюються в нові складні сполуки, і повернення їх в грунт і атмосферу в процесі життєдіяльності.
Екологічні системи суші і Світового океану пов'язують і перерозподіляють сонячну енергію, вуглець атмосфери, вологу, кисень, водень, фосфор, азот, сірку, кальцій та інші елементи. Життєдіяльністю рослинних організмів (продуцентів) і їх взаємодіями з тваринами (консументами), мікроорганізмами (редуцентамі) і неживою природою забезпечується механізм накопичення і перерозподілу сонячної енергії, що надходить на Землю.
Найважливішим аспектом існування життя на Землі є кругообіг (біогеохімічні цикли), в які залучені вода і основні біогенні хімічні елементи - С, Н, О, N, Р, S, Fe, Mg, Mo, Mn, Cu, Zn, Ca, Na , до і ін. Всі цикли складаються з двох фаз: органічної (під час якої речовина або елемент знаходиться в складі живих організмів) і неорганічної. Послідовні переходи речовини з однієї фази в іншу відбуваються незліченну кількість разів. Так, наприклад, щорічно проходить через органічну фазу і повертається в неорганічну 1/7 частина всього вуглекислого газу і 1/4500 частина кисню атмосфери; підраховано, що вся вода обертається за 2 млн років.
Як приклад розглянемо кругообіг азоту - одного з найважливіших хімічних елементів живих організмів. Азот є будівельним матеріалом для білків, нуклеїнових кислот, компонентом АТФ, хлорофілу, гемоглобіну і т.д.
Азот поширений в біосфері вкрай нерівномірно. У грунті його міститься всього від 0,02 до 0,5%, і то лише завдяки діяльності мікроорганізмів, деяких рослин і розкладання органічних речовин. У той же час мільйони тонн азоту в атмосфері буквально тиснуть на поверхню Землі. Над кожним гектаром грунту, образно кажучи, «висить» до 80 тис. Т цього елемента. Незважаючи на те що азоту в атмосфері дуже багато (78%), більшість рослин не в змозі асимілювати його в молекулярному стані. «Елементом життя» азот стає тільки в хімічних сполуках - легкорозчинних азотнокислих і аміачних солях. Однак пов'язаного (хоча б в прості оксиди) азоту в повітрі немає.
Винятком є надходження азоту в атмосферу в результаті викидів автомобільного транспорту, теплових електростанцій, котелень, промислових підприємств. При спалюванні викопного палива (нафта, вугілля, газ) в атмосферу Землі відбувається викид оксидів азоту (N2 0, N02), які забруднюють навколишнє середовище.
Безпосередньо азот атмосфери здатні використовувати лише деякі прокариотические (доядерние) організми - деякі види бактерій і ціанобактерій. Вищі рослини можуть використовувати азот тільки в результаті симбіотичних взаємин з азотфіксіруюшімі прокариотическими організмами - бульбочкових бактерій, які поселяються в тканинах коренів рослин з сімейства бобових, таких як арахіс, соя, сочевиця, квасоля, люцерна, конюшина, люпин та ін. Фіксуючи атмосферне азот, вони постачають рослина-господар доступними для нього сполуками азоту у вигляді нітратів і нітритів.
Мертві азотсодержащие органічні речовини (білки, нуклеїнові кислоти, сечовина) розкладаються аммоніфіцірующімі бактеріями до аміаку. Він легко розчиняється у воді. Частина його може поглинатися безпосередньо рослинами, частина вимивається з грунту, а залишився аміак піддається дії спеціалізованих бактерій в результаті процесу нітрифікації - окислювання азотовмісних сполук. Коріння рослин отримують нітрити та нітрати, що утворюються в ході реакції
У природі здійснюється і зворотний процес - відновлення нітритів і нітратів до газоподібних азотистих продуктів - денітрифікація, В результаті цього процесу денітрифікуючі бактерії відновлюють іон NO3 - до N2. Денітрифікація відбувається в кілька етапів:
Таким чином, в ході денітрифікації пов'язаний азот видаляється з грунту і води і у вигляді газоподібного азоту повертається в атмосферу. Денітрифікація замикає цикл азоту і перешкоджає накопиченню його оксидів, які у високих концентраціях токсичні.
Кругообіг речовин ніколи не буває повністю замкнутим. Частина органічних і неорганічних речовин виноситься за межі екосистеми, і в той же час їх запаси можуть поповнюватися за рахунок припливу ззовні. В окремих випадках ступінь повторюваного відтворення деяких циклів кругообігу речовин досягає 90-98%. Неповна замкнутість циклів в масштабах геологічного часу призводить до накопичення елементів в різних природних сферах Землі. Так накопичуються корисні копалини - вугілля, нафта, газ, вапняки тощо
