Закон збереження живої речовини (Гусакова н

5.2. Закон збереження живої речовини

Дуже образно формулює цей закон В.І. Вернадський: "Атоми, що увійшли в якусь форму живого речовини, захоплені одиничним життєвим вихором, насилу повертаються, а може бути, і не повертаються назад, в відсталу матерію біосфери". Завдяки закону збереження можна говорити про атомах, що залишаються в межах живої матерії протягом геологічних періодів, весь час знаходяться в русі і міграції, але не виходять назад в відсталу матерію. Іншими словами, основу функціонування живої речовини складає біотичний кругообіг речовин.

Біотичний кругообіг забезпечується взаємодією трьох основних груп організмів:

продуцентів. (Зелених рослин), які здійснюють фотосинтез, і бактерій, здатних до хемосинтезу, - вони створюють первинне органічна речовина;

консументов споживають органічну речовину, - це рослиноїдні і хижі тварини;

редуцентов (деструкторів), що розкладають мертву органічну речовину до мінерального, - це в основному бактерії, гриби і найпростіші тварини.

На висхідній гілки біотичного кругообігу (рис. 5), заснованого на виконанні енергетичної функції зеленими рослинами, відбувається акумуляція сонячної енергії у вигляді органічних речовин, синтезованих рослинами з неорганічних сполук - вуглекислого газу, води, азоту, зольних елементів живлення. Низхідна гілка біотичного кругообігу пов'язана з втратами органічної речовини. Найважливіший процес - дихання рослин, при якому до половини асимільованого при фотосинтезі органічної речовини окислюється до СО2 і повертається в атмосферу. Другий істотний процес витрачання органічної речовини і накопиченої в ньому енергії - це споживання рослин консументами першого порядку - рослиноїдних тваринами. Запасається фитофагами з їжею енергія також значною мірою витрачається на дихання, життєдіяльність, розмноження, виділяється з екскрементами.

Мал. 5. Модель біотичного кругообігу речовин

Кожна ланка екосистеми поставляє в навколишнє середовище органічні залишки (детрит), які служать джерелом їжі та енергії для тварин-сапрофагов, а головним чином для мікроорганізмів - бактерій, грибів, актиноміцетів і т.ін.. Завершальним етапом перетворення органічної речовини є процеси гуміфікації і далі окислення гумусу до СО2 і мінералізації зольних елементів, які знову повертаються в грунт і атмосферу, забезпечуючи рослини їжею.

Біотичний кругообіг являє собою безперервний процес створення та деструкції органічної речовини. Він реалізується за участю представників всіх трьох груп організмів:

- продуцентів, які виробляють основу життя, - первинне органічна речовина;

- консументов різних порядків, які споживають первинну і вторинну продукцію, що переводять органічну речовину з однієї форми в іншу і сприяють зростанню різноманіття форм життя на Землі;

- редуцентов, що розкладають органічну речовину до мінерального і повертають його до початку кругообігу.

Глобальні цикли міграції хімічних елементів не тільки зв'язують три зовнішні оболонки нашої планети в єдине ціле, але і обумовлюють безперервну еволюцію її складу.

У биотическом круговороті крім утворюють органічну речовину елементів (кисень, вуглець, водень) бере участь велика кількість біологічно важливих елементів (азот, кальцій, натрій, калій, кремній, фосфор, сірка), а також мікроелементів (бром, йод, цинк, срібло, молібден, мідь, магній, свинець, кобальт, нікель). Список елементів, що поглинаються живою речовиною, можна значно розширити, причому в нього входять навіть отруйні елементи (ртуть, селен, миш'як), а також радіоактивні.

Відзначивши циклічний характер массоенергообмена, відповімо на питання про швидкість кругообігу різних речовин в біосфері.

Біохімічні цикли. В екосистемах дуже важлива роль біохімічних циклів. Біогенні елементи - C, O2. N2. P, S, CO2. H2 O та інші - на відміну від енергії утримуються в екосистемах і здійснюють безперервний кругообіг із зовнішнього середовища в організми і назад в зовнішнє середовище. Ці замкнуті шляху називають біохімічними циклами. У кожному кругообігу розрізняють два фонди: 1) резервний, що включає велику масу рухомих речовин, в основному не біологічних елементів, 2) рухливий, або обмінний, фонд - за характером більш активний, але менш тривалий, відмінною рисою якого є швидкий обмін між організмами і їх безпосереднім оточенням.

Біохімічні цикли можна поділяти на два типи: 1) кругообіг газоподібних речовин з резервним фондом в атмосфері і гідросфері (океан), 2) осадовий цикл із резервним фондом в земній корі.

З 90 з зайвим елементів, що зустрічаються в природі, 30 -40 необхідні для живих організмів. Людина є унікальним не тільки тим, що його організм потребує 40 елементах, але і тим, що в своїй діяльності використовує майже всі інші наявні в природі елементи.

Кругообіг азоту. Азот становить близько 80% атмосферного повітря і є найбільшим резервуаром і запобіжним клапаном атмосфери. Однак більшість організмів не можуть засвоювати азот з повітря. Тим часом азот бере участь в побудові всіх білків і нуклеїнових кислот. Засвоювати азот з повітря можуть лише деякі організми, наприклад бактерії, які існують в симбіозі з бобовими рослинами (горох, квасоля, соя). Вони поселяються на коренях бобових рослин, утворюючи бульби, в яких і відбувається хімічна фіксація азоту. Азот можуть засвоювати також синьо-зелені водорості, які називаються ціанобактеріями. Вони утворюють симбіоз з плаваючим папороттю, який росте на заливаються водою рисових полях і до висадки посадки рису удобрює ці поля азотом. Перший етап фіксації атмосферного азоту призводить до утворення аміаку і називається Амоніфікація. Аміак використовується рослинами для синтезу амінокислот, з яких складаються білки. Другий етап фіксації азоту мікроорганізмами - нітрифікація, при цьому утворився аміак перетворюється в солі азотної кислоти - нітрати. Нітрати засвоюються корінням рослин і транспортуються в листя, де відбувається синтез білків. Процес розкладання білків, здійснюваний особливою групою бактерій, називається денітрифікацією. Розпад йде спочатку з утворенням нітратів, потім аміаку і, нарешті, молекулярного азоту. Кількість азоту в живих тканинах становить близько 3% його змісту в обмінних фондах екосистем. Загальний час кругообігу азоту - приблизно 100 років.

Кругообіг вуглецю. Кругообіг вуглекислоти і води в глобальному масштабі - найважливіші для людства біогеохімічні кругообіги.

Біологічний круговорот вуглецю досить простий; в ньому беруть участь тільки органічні сполуки і CO2. Рослини споживають щорічно близько 100 млрд т вуглецю, 30 млрд т повертаються в атмосферу в результаті дихання рослин. Решта 70 млрд т забезпечують дихання і продукцію тварин, бактерій і грибів в різних трофічних ланцюгах. Рослини і тварини щорічно пропускають через себе 0,25-0,30% вуглецю. що міститься в атмосфері і океанах. Весь обмінний фонд вуглецю робить кругообіг кожні 300-400 років.

Інше з'єднання вуглецю в атмосфері - метан (CH4), який підтримує стабільність озонового шару в атмосфері.

Кругообіг води. Вода становить значну частину живих істот: у тілі людини - 60% від ваги, а в рослинному організмі досягає 95%.

Для людства важливі фази кругообігу в межах екосистем. Тут відбуваються чотири процесу:

- перехоплення. Рослинність перехоплює частина випадає в опадах води до того, як вона досягає грунту. Перехоплена вода випаровується в атмосферу. Величина перехоплення в помірних широтах може досягати 25% загальної суми опадів, це - фізичне випаровування;

- транспирация - біологічне випаровування води рослинами. Це не дощова вода, а вода, укладена в рослині, тобто екосистемна. Рослини, споживаючи близько 40% загальної кількості опадів, грають головну роль в круговороті води;

- інфільтрація - просочування води в грунті. При цьому частина інфільтрованной води затримується в грунті тим сильніше, чим значніше в ній колоїдальний комплекс, відповідний накопиченню в ґрунті перегною;

- стік. У цій фразі кругообігу надлишок випала з опадами води стікає в моря і океани.

Відмінність циклів вуглецю та азоту від кругообігу води полягає в тому, що в екосистемах два названих елемента накопичуються і зв'язуються, а вода проходить через екосистеми майже без втрат. Біосфера щорічно використовує на формування біомаси 1% води, що випала у вигляді опадів.

Кругообіг фосфору. Фосфор - один з найбільш важливих біогенних компонентів. Він входить до складу нуклеїнових кислот, клітинних мембран, систем акумуляції і перенесення енергії, кісткової тканини і дентину. Кругообіг фосфору повністю пов'язані з діяльністю організмів.

На відміну від азоту і вуглецю резервуаром фосфору служать не атмосфера, а гірські породи і відкладення, що утворилися в минулі геологічні епохи. Кругообіг фосфору - типовий приклад осадового циклу.