< Попер   ЗМІСТ   Наст >

Кругообіги речовини

Завдяки сонячній енергії, внутрішній енергії Землі в природі відбуваються безперервні процеси утворення, трансформації та розкладу багатьох хімічних сполук, а також переносу речовин у межах планети. Сукупність таких явищ В.І. Вернадський назвав геохімічними процесами. Одні й ті самі хімічні елементи в межах історичного минулого Землі входили до складу певних сполук, що зазнавали змін, перетворень та переносу. Цей закономірний процес багаторазової участі хімічних елементів та речовин в явищах, що відбуваються в атмосфері, гідросфері та літосфері, називають кругообігами речовин.

Залежно від того, чи беруть участь у кругообігах живі організми чи ні, розрізняють абіотичний та біотичний кругообіги.

Абіотичний кругообіг

Абіотичний (великий, або геологічний) кругообіг речовин існує в межах геологічних оболонок Землі і здійснюється за рахунок безпосереднього впливу сонячної енергії та енергії Землі на речовини. Нерівномірний розподіл енергії в оболонках Землі спричиняє перенесення речовин, їхню циркуляцію. Розтріскування гірських порід внаслідок нагрівання та охолодження, течії повітря та води, перенесення цими течіями різних речовин, вивітрювання, вимивання водою різних хімічних елементів - усе це складові частини великого кругообігу речовин у природі. Найяскравішим прикладом абіотичного кругообігу є циркуляція води в природі (випаровування води, перенесення повітряними течіями водяної пари, конденсація її та атмосферні опади). Зрозуміло, що абіотичний кругообіг існував задовго до виникнення життя на нашій планеті та утворення біосфери.

Біотичний кругообіг

З виникненням життя на Землі та з утворенням у межах її геологічних оболонок біосфери на планеті кругообіг речовин прискорився внаслідок життєдіяльності живих організмів. Завдяки створеним трофічним ланцюгам та мережам виник біотичний кругообіг речовин.

Біотичний кругообіг - це явище безперервного, циклічного, але нерівномірного в часі та просторі закономірного перерозподілу речовини, енергії та інформації в межах екологічних систем різного рівня організації - від біогеоценозу до біосфери.

Біотичний кругообіг речовин називають ще біосферним, або малим, через те що він відбувається ще в меншому просторі, ніж абіотичний, - у біосфері. Час, необхідний для проходження повного циклу обігу речовин у біотичному кругообігу, набагато менший, ніж в абіотичному.

Живі організми в біотичному кругообігу виступають своєрідними каталізаторами, які швидко синтезують нові, трансформують та руйнують наявні органічні сполуки.

Через біотичний кругообіг проходить велика кількість речовин та хімічних елементів. Але найбільш важливими є біогенні елементи (С, Н, О, N. Р, Б), з яких синтезуються органічні сполуки. Кругообіги СО2 та Н2О в глобальному масштабі є, мабуть, чи не найбільш важливими для людства. Для обох кругообігів характерним є наявність невеликої, але рухомої частки цих речовин в атмосфері, зміна вмісту яких впливає на погоду та атмосферу, їхній вміст може змінюватися і в результаті діяльності людини. Зараз у світі створено мережу станцій з метою контролю зміни частки СО2 та Н2О, від яких залежить майбутня доля людства.

Характеризуючи кругообіги окремих речовин та хімічних елементів у природі, необхідно визначити основне депо (місце найбільшого утримання) цих речовин та елементів, основні шляхи їхньої трансформації, переміщення та повернення до депо, а також визначити баланс (співвідношення між вилученням з депо та поверненням до нього).

Кругообіг вуглецю (карбону)

Основним депо вуглецю в глобальному кругообігу є гідросфера та літосфера (вапняки, викопне паливо тощо). В атмосфері Його частка, порівняно з названими геологічними оболонками Землі, невелика. Але для зелених фото-синтезуючих рослин вуглець доступний тільки в газоподібному стані у вигляді СО2 (в атмосфері чи розчинений у воді).

Вуглець у вигляді синтезованих органічних сполук проходить трофічними ланцюгами від продуцентів через консументи, або минаючи їх, до редуцентів. На кожній ланці ланцюга в результаті дихання живих організмів вивільнюється С02, який потрапляє до континентального чи/та океанічного циклу глобального кругообігу. Мертва органічна речовина розкладається редуцентами, що теж супроводжується виділенням СО2.

Природні пожежі (самозаймання, блискавка) та виверження вулканів додають СО2 в атмосферу.

Людина в результаті своєї господарської діяльності щорічно теж додає велику кількість вуглецю до атмосфери, видобуваючи та спалюючи викопне паливо (вугілля, торф, нафта, природний газ, горючі сланці тощо).

Часті оранки землі сприяють вивільненню вуглецю з грунту (окислення гумусу, дихання ґрунту). Сільськогосподарські культури, більшість яких активна лише частину року, фіксуючи С02, не можуть компенсувати втрати С02 з ґрунту.

Знищення лісів сприяє вивільненню вуглецю, що накопичився в деревині, особливо якщо вона тут же спалюється.

Водно-болотні угіддя, особливо болота та торфовища, є надійними пастками для атмосферного вуглецю. Вуглець у складі торфу накопичується в великій кількості та вилучається з кругообігу, причому на досить великий період часу (процес перетворення торфу на буре та кам'яне вугілля). Осушення болот та торфовищ з подальшим використанням мулу та торфу для удобрювання сільськогосподарських угідь сприяє швидкому вивільненню вуглецю. "Живе" торфовище накопичує вуглець, а "мертве" (осушене), навпаки, повертає його назад до атмосфери (процеси окислення), особливо, коли на них виникають пожежі.

В океанічному циклі глобального кругообігу вуглецю також існує пастка, що сприяє його вилученню з обігу та захоронению. Це відклади вапнякових скелетів, стулок та мушель відмерлих безхребетних тварин.

Окрім СО2, в атмосфері наявні в невеликій кількості ще дві вуглецеві сполуки: чадний газ СО (0,0001%) та метан СН4 (0,0016%). 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 СН4 та 4 роки для С02.1 чадний газ, і метан утворюються при неповному або анаеробному розкладанні органічних сполук, а в атмосфері обидва окислюються до С02.

При неповному згоранні викопного палива, особливо з вихлопними газами, зараз до атмосфери надходить така ж кількість СО, як і в результаті природного розкладу органіки.

Накопичення СО (смертельної отрути для людини) в глобальних масштабах нічим не загрожує. Але в містах, де повітря застоюється, підвищення концентрації цього газу в повітрі починає бути загрозливим. Концентрації до 0,1% бувають у районах з напруженим автотранспортним рухом.

Метан, як вважають, виконує корисну функцію. Він підтримує стабільність озонового шару в верхній частині тропосфери, який захищає живі організми від смертельно небезпечного ультрафіолетового випромінювання Сонця. Метан у природі в основному утворюється у водно-болотних угіддях.

Кругообіг кисню (оксигену)

Кисень є життєво необхідним елементом для біосфери. Завдяки йому існує більшість організмів нашої планети. Основним депо кисню є атмосфера, де він перебуває у вільному стані в кількості 1,18 * 10 тонн.

З атмосфери кисень вилучається для участі в таких процесах, як дихання (у тому числі аеробне бродіння та гниття), горіння, та інших хімічних перетворенях. У результаті цих процесів утворюється СО2, який засвоюється фотосинтезуючими організмами. Під час фотосинтезу виділяється кисень.

Фотосинтезуючі організми пов'язують кругообіг вуглецю з кругообігом кисню.

У своїй господарській діяльності людина використовує кисень для забезпечення окисних процесів у виробництві. Найбільше кисню витрачається на спалювання палива. Зменшення площ лісів, зникнення рослинності в певних регіонах (спустелювання), з одного боку, та всезростаючий процес видобування викопного палива та його спалювання, спалювання промислових та побутових відходів, з іншого боку, призводять до все більшого вилучення кисню з атмосфери.

Зараз вільний кисень утворюється зі швидкістю 1,55 o 109 т/рік, а використовується на порядок більше - 2,16 10 т/рік. Зазначена різниця кисню також надходить до атмосфери, але не в чистому вигляді, а будучи пов'язаною з вуглецем. Таким чином, баланс вільного кисню в атмосфері негативний.

Кругообіг води

Основним депо води в природі є гідросфера. Крім того, що вона представлена в великій кількості у вигляді рідини і створює окрему геологічну оболонку Землі, вода є складовою частиною ще літосфери та атмосфери, де перебуває в твердому (лід) та газоподібному (водяна пара) агрегатному стані. Легкий перехід води з одного агрегатного стану в інший в глобальних масштабах зумовлює обмінні процеси та зв'язок між оболонками планети.

Починати розглядати кругообіг води потрібно з процесу випаровування. Водяна пара, випаровуючись з поверхні Світового океану, конденсується в атмосфері, що за певних умов призводить до опадів. Через нерівномірне прогрівання поверхні Землі повітряні течії, що виникають, переносять вологу та зумовлюють нерівномірний розподіл опадів у різні пори року. В сучасний період загальна сума опадів, що отримує уся поверхня земної кулі, приблизно дорівнює кількості випареної води, що становить 519 тис. км3.

Цикл замикається, коли вода, що випарувалася з поверхні океанів, повертається у вигляді опадів до них же. Такий цикл називають малим кругообігом води.

Великий кругообіг води в природі включає її циркуляцію і над суходолом. Світовий океан втрачає через випаровування більше води, ніж отримує її з опадами. Це означає, що значна частка опадів, які підтримують екосистеми суходолу, є водою з основного депо.

Опади над суходолом формують поверхневий стік, частина їх інфільтрується у ґрунти і формує підземний стік, а ще частина - може перехоплюватися кронами дерев.

Поверхневий стік залежить від рельєфу, складу ґрунту та наявності рослинного покриву на ґрунті. Більший ухил схилу сприяє більшому поверхневому стоку. Твердий, кам'янистий та глинистий ґрунти не дають воді просочуватися і теж сприяють формуванню поверхневого стоку. Пухкий та піщаний ґрунти сприяють просочуванню (інфільтрація) води всередину. Інфільтрації також сприяє наявність трав'янистого покриву на ґрунті.

Підземний стік формується завдяки інфільтрації води у ґрунти.

Завдяки поверхневому та підземному стокам існують струмки, річки, озера та інші наземні водно-болотні угіддя. Велику роль у запасанні води та її поступовій витраті відіграють водно-болотні угіддя. Вирівнювання малих і великих водостоків сприяє швидкому стіканню води по ним. Осушення болот, до того ж, призводить до швидких витрат водних ресурсів і як наслідок - до обміління річок у посушливий період року.

Перехоплення води кронами дерев полягає в тому, що частина опадів завдяки великій сукупній поверхні листків випаровується з них, не доходячи до поверхні ґрунту. При невеликому дрібному дощику під деревами завжди сухо. Завдяки явищу перехоплення в атмосферне повітря може надходити до 15% дощової води.

Вода опадів, що досягла ґрунту, може безпосередньо випаровуватися з його поверхні.

Важлива роль у процесах випаровування води на суходолі належить живим організмам. При диханні та просто з поверхні тіла більшість тварин виділяють велику кількість вологи.

Випаровуванню ґрунтової води сприяють рослини завдяки своїм надземним органам, насамперед листкам, через які відбувається транспірація. Вода дає рослинам розчинені поживні мінеральні речовини. Вона необхідна для фотосинтезу, в процесі якого водень йде на побудову вуглеводнів, а кисень виділяється у вільному стані. Так, відомо, що середнього віку липа за один літній день в середній смузі випаровує близько 200 л води.

Сумарну кількість вологи, що випаровується з поверхні ґрунту завдяки явищам перехоплення та транспірації, називають евапотранспірацією. Таким чином, через евапотранспірацію повертається велика кількість вологи до атмосферного повітря. Однак, як би там що, вода великими та малими водостоками повертається до Світового океану.

Сукупність води, що стікає з суходолу до Світового океану та озер, називають світовим стоком. За рік річками виноситься приблизно до 43 тис. км3 води. Паралельно з рідким стоком відбувається твердий стік - стік розчинених речовин та твердих завислих часток, а також біостік (маса організмів, що виноситься в океан світовим стоком).

Завдяки світовому стоку з літосфери вимивається велика кількість солей, чим зумовлюється солоність океанічної та морської води.

Баланс води в основному депо позитивний. З кожним роком її надходить більше, ніж випаровується. Завдяки глобальному потеплінню льодовики та снігові шапки високих гір зменшуються за площею, віддаючи воду до поверхневого стоку. Крім того, зростають площі аридних районів. Таким чином, протягом XX століття рівень моря зріс на 12 см.

Кругообіг азоту (нітрогену)

Азот має важливе значення в житті живих організмів. Будь-який білок як хімічна органічна сполука включає в себе азот Тому його синтез неможливий за відсутності азоту. Отже, азот має надзвичайно важливе значення для життя як форми існування білкових тіл.

Основним депо азоту в природі є атмосфера, де він становить за об'ємом 78,084%, а за масою 75,5%. Атмосферний азот (N2) здебільшого недоступний живим організмам, але в результаті фотохімічних (під дією ультрафіолетового випромінювання) та електрохімічних (блискавки) процесів в атмосфері утворюються азотисті сполуки, що разом з опадами потрапляють до ґрунту. Такі атмосферні процеси в сукупності називають атмосферною фіксацією азоту.

Крім атмосферної, існує ще й біологічна фіксація азоту (біофіксація). Вона властива прокаріотам, без'ядерним, найбільш примітивним мікроорганізмам. Серед них ми знаходимо вільно-живучі бактерії, симбіотичні бульбочкові бактерії бобових рослин, синьо-зелені водорості та інші представники порядку, пурпурні бактерії актиноміцети в кореневих бульбашках вільхи (Ліпші).

Властивість біофіксації азоту люди використовують у сільському господарстві. Сівозміни з обов'язковою посадкою бобових (напр., горох) сприяють підвищенню вмісту азоту в ґрунті. Зелені рослини, що мають великий вміст азоту в своїй масі (напр., люпин), навмисне посаджені та згодом прикопані (переорані на полі), відомі як зелені добрива.

Азот, який потрапив до ґрунту в формі радикалу гГОз - стає доступним для зелених фотосинтезуючих рослин. У подальшому цей азот проходить в угрупованнях трофічними ланцюгами. В результаті білкового обміну тварини виділяють аміак, сечову кислоту та/або сечовину. Ці продукти білкового обміну, як і загиблі та мертві тварини, а також рослинні опади, потрапляють до ґрунту, а саме у підстилку, де перетворюються у гумус.

Гумус є найбільш насиченим азотом пластом ґрунту. Завдяки процесам гуміфікації та мінералізації азот стає знову доступним для зелених рослин. Розклад мікроорганізмами (бактерії, гриби, актиноміцети) речовин гумусу, які вміщують азот, має назву амоніфікації. У результаті разом з іншими речовинами в ґрунті утворюється НН3.

Аміак та амонійні солі завдяки бактеріям перетворюються в нітрити та нітрати, які легко засвоюються рослинами. Цей процес називають нітрифікацією.

Поряд з нітрифікацією в ґрунті відбуваються також процеси відновлення нітратів та нітритів до аміаку та вільного азоту, що відомо під назвою денитрифікації. Під час денітрифікації з ґрунту виділяється газоподібний азот, який потрапляє в атмосферу. Біотичний цикл азоту замикається цим процесом.

Баланс азоту, за підрахунками фахівців, у наш час майже нульовий. Це означає, що його вилучення з атмосфери та повернення назад врівноважені. Частина азоту, що захоронюється на морських глибинах, можливо, врівноважується тією часткою азоту, що надходить до атмосфери внаслідок виверження вулканів, спалювання викопного палива, викидів важкої промисловості та внесенням азотних добрив.

Кругообіг азоту все більше перебуває під впливом промислового забруднення. Оксиди азоту (N¿0 та N02), на відміну від нітратів, токсичні. Ці сполуки можуть виникати як проміжний продукт у процесі кругообігу цього елемента і в більшості біотопів наявні в незначних концентраціях. Основне джерело N02 - вихлопні гази та інші промислові викиди. Оксиди азоту небезпечні для живого. Вони подразнюють дихальні шляхи вищих хребетних тварин та людини. Окрім того, вступаючи в реакцію з іншими забруднювачами, вони набувають ще більшої токсичної дії. Наприклад, під впливом ультрафіолетового випромінювання N02 реагує з продуктами неповного згорання вуглеводнів, у результаті чого виникає фотохімічний смог, що не лише подразнює очі, а й такий самий небезпечний, як паління цигарок.

Кругообіг фосфору

Фосфор є необхідним елементом органічних сполук, без яких жодний живий організм не може існувати. Він входить до складу АТФ, АДФ та АМФ - речовин, перетворення яких забезпечує енергетичні процеси в клітинах. При цьому фосфор є одним з досить рідкісних елементів щодо його доступності на поверхні Землі та доступних кількостей.

За структурою кругообіг фосфору в природі дещо простіший, ніж азоту, але він принципово відрізняється від попередніх схем кругообігу речовин. По-перше, його не можна назвати кругообігом. Хоча цей елемент багаторазово використовується живими організмами, в глобальних масштабах цикл залишається незамкненим (фосфор не повертається в основне депо). Друга особливість - це те, що депо фосфору міститься в літосфері.

Гірські породи та інші поклади літосфери, що утворилися в минулі геологічні епохи, поступово піддаються дії ерозії, звільнюючи фосфати, які потрапляють до екосистем. Але більша частка їх потрапляє до моря, де вони відкладаються на мілководдях або захоронюються на великих глибинах.

Незамкнений кругообіг фосфору складається з ланцюга окремих невеликих циклів. Принаймні можна виділити три такі цикли: на суходолі, у водоймах та прибережний, що охоплює берег та море.

На суходолі фосфор проходить такий цикл: фосфати ґрунту - рослини - тварини - опад - мікроорганізми - фосфати ґрунту. Велика кількість фосфору вимивається з ґрунту у водойми.

У морських та прісних водоймах розчинені у воді сполуки фосфору поглинаються фітопланктоном та водяними рослинами. Далі фосфор переходить до зоопланктону та рослиноїдних тварин. Повертається він у воду з виділеннями тварин та через детрит (тільки на мілководдях). Частина фосфору захоронюється на дні водойм.

У прибережних регіонах фосфор переноситься з суходолу до моря, а потім з моря вилучається та потрапляє на береги. Виконують цю функцію численні морські птахи (баклани, різні види мартинів та крячків, кайри та ін.), що гніздяться на узбережжі, утворюючи численні колонії (пташині базари), а живляться в основному рибою. їхній послід, крім азоту, вміщує велику кількість фосфору. Послід змивається у воду. Таким чином, поблизу колоній птахів створюються сприятливі умови для розвитку морської біоти.

Повернення фосфору з моря на суходіл відбувається і за участю людини. Хоча людина виловлює багато морської риби, однак у рік цим способом повертається всього 60 тис. тонн фосфору. Це не компенсує на суходолі втрати фосфору, який постійно вимивається. Людина щорічно видобуває 1-2 млн тонн порід, що вміщують цей елемент, для виготовлення фосфорних добрив.

Вчення В.І. Вернадського про ноосферу

Розвиток екології зумовив розуміння єдності людини та природи, того, що людина повинна підпорядковуватись законам природи, а не намагатись їх змінити чи взагалі відмінити (ойкуменічний світогляд).

В.І. Вернадський, який створив вчення про біосферу, ще в першій половині XX століття передбачав, що біосфера розвинеться у ноосферу (термін запропонований у 1927 році французькими філософами Е. Леруа та П.Т. де Шарденом). Спочатку В.І. Вернадський розглядав ноосферу (від грец. ноос - розум та сфера) як особливу "розумову" оболонку Землі, яка розгортається над біосферою, поза нею. Але згодом він дійшов висновку, що ноосфера - це новий стан біосфери, при якому розумова діяльність людини стає тим фактором, який визначає її розвиток.

В.І. Вернадський у своїй праці "Наукова думка як планетне явище" зазначав, що під впливом наукової думки і людської праці біосфера переходить у новий стан - ноосферу. Людство все більше відходить від інших організмів як нова, небувала біогенна геологічна сила. Завдяки своїй науковій думці, техніці, людина заселяє ті частини біосфери, куди раніше вона не проникала або де життя було відсутнє взагалі.

Людина створила нову форму біогеохімічної енергії, яку В.І. Вернадський називав енергією людської культури, або культурною біогеохімічною енергією. Ця енергія за своєю потужністю і різноманітністю значно переважає біогеохімічну енергію, створену іншими організмами. Ця нова форма енергії і визначає процес переходу біосфери в ноосферу, який буде підсилюватись у міру об'єднання зусиль людства для вирішення глобальних проблем.

Для ноосфери як нового якісного етапу в розвитку біосфери характерний тісний зв'язок законів природи і соціально-економічних законів суспільства, заснований на науково обґрунтованому, раціональному використанні природних ресурсів біосфери, який передбачає відновлюваність кругообігу речовин та потоку енергії.

Характерною рисою ноосфери є екологізація всіх сфер життя людини. До вирішення будь-яких проблем людина повинна підходити з позицій екологічного мислення, тобто з позицій збереження і поліпшення стану природного середовища.

Отже, ноосфера - це якісно нова форма організації біосфери, яка формується внаслідок її взаємодії з людським суспільством.

 
< Попер   ЗМІСТ   Наст >