Основи екології - Олійник Я.Б. - 4.4.1. Великий і малий кругообіги речовин та енергії

У біосфері, як і у кожній підпорядкованій їй екосистемі, між собою та з навколишнім середовищем взаємодіють продуценти, консументи, детритофаги і редуценти. У процесі цієї взаємодії живі організми створюють певний потік речовин та енергії від одних компонентів системи до інших, чим і забезпечується цілісність та стійке підтримування життя біосфери як глобальної екосистеми. Тобто з різних хімічних елементів та їх сполук, що підтримують життя окремих видів, в біосфері формується загальний (глобальний) кругообіг речовин та енергії.

Як уже було зазначено вище, маса живої речовини називається біомасою. Вона виражається в одиницях маси сухої або сирої речовини відносно до одиниць площі або об'єму будь-якого місця мешкання організмів. Загальна маса живої речовини біосфери у сухому вигляді становить приблизно 4 * 1018 г, що у мільярд разів менше маси Землі, яка дорівнює 5,98 * 1027г. Сумарна кількість біомаси, що утворилася протягом конкретного періоду, характеризує біопродуктивність. Встановлено, що найбільшу продуктивність мають заплавні згущення живої речовини: при площі менше, ніж 1 %, вони виробляють близько 10 % живої речовини суші, Фотосинтезуючі живі організми становлять 99 % усієї маси живої речовини. Маса живої речовини океану становить менше, ніж 0,2 %, від біомаси суші. Але продуктивність океану, тобто виробництво біомаси у одиницю часу і на одиницю площі, приблизно дорівнює продуктивності біомаси рослин.

Жива речовина, на відміну від косної, має таку властивість: усі хімічні реакції в ній відбуваються упорядковано та у менш жорстких умовах, ніж при виробництві речовин суто хімічними методами. Так, жири та вуглеводи окислюються в організмі при температурі близько 37 °С, а поза ним - у 400-500 °С. У промислових умовах для отримання аміаку з молекул азоту та водню необхідна температура 500 °С та високий тиск, а у тілі мікроорганізмів ця реакція відбувається за звичайних температур і атмосферного тиску. Безперервно розмножуючись, живі організми утворюють потік поколінь: на зміну загиблим з'являються нові істоти. Тим самим сучасна жива речовина за походженням пов'язана з живою речовиною минулих геологічних епох; їй притаманна велика хімічна різноманітність.

4.4.1. Великий і малий кругообіги речовин та енергії

Кругообіг речовин виявляється у багаторазовій участі речовин у процесах, які відбуваються в атмосфері, гідросфері, літосфері і в тому числі у тих їх шарах, що входять до складу біосфери. Розрізняють два основних кругообіги речовин: великий (геологічний) та малий (біологічний, або біотичний), які охоплюють усю планету.

Геологічний (великий) кругообіг - це обмін речовинами між сушею та Світовим океаном. Насамперед відбувається глобальна циркуляція води, тобто спочатку випадання атмосферних опадів, потім - поверхневий та підземний стік, інфільтрація, випаровування і врешті-решт - конденсація; потім знову випадають опади. На кругообіг води витрачається майже третина усієї сонячної енергії, що надходить до Землі. Разом з водою рухаються величезні маси розчинених у ній хімічних речовин, які в океані осідаються на дно у вигляді делювіальних відкладів або осаду. Вода - основний елемент, необхідний для життя. Кількісно це найбільш поширена неорганічна складова живої матерії. Наприклад, у людини вода займає 70 % маси тіла, у грибів - 80 %, у деяких видів медуз - 98 %. Гідросфера охоплює близько 75 % поверхні земної кулі (363 млн км2). Припускають, що сумарне випаровування врівноважується випаданням опадів. З океану випаровується більше води, ніж потрапляє у нього з опадами; на суші навпаки, менше. Так звані зайві опади суші потрапляють у льодовики, поповнюють ґрунтові води і врешті-решт опиняються в озерах і річках, повертаючись поступово зі стоком в океан. Отже, кругообіг води між океаном і сушею є обов'язковою умовою обміну речовин між органічної та неорганічною природою.

Таким чином, особливу увагу слід приділити двом головним аспектам кругообігу води. По-перше, море втрачає через випаровування більше води, ніж отримує з опадами; на суші ситуація протилежна. Тобто значна частина опадів, яка підтримує екосистеми суші, складається з води, що випаровується з моря. По-друге, різниця між кількістю опадів за рік та річним стоком становить 0,8 геограма (1011 т); це і є величина річного надходження води у підґрунтові водоносні горизонти. У наш час в результаті діяльності людини стік збільшується, тому поповнення дуже важливого фонду ґрунтових вод скорочується.

Обмін повітря між усіма широтами й обома півкулями Землі відбувається в середньому за два роки. Активно переміщується течіями океанічна вода, в океані немає таких зон, де б вона тривалий час перебувала в застійному стані. Уся прісна вода суші стікає в океан за 14 діб, у льодовиках вода оновлюється за 15 тис. років.

Великий кругообіг речовин не є замкнутим: певна кількість речовин вилучається з кругообігу і зберігається в осадових породах у вигляді вапняків, торфу, нафти та інших порід і мінералів. Цим забезпечується поступальний розвиток земної кори і біосфери. Згідно з концепцією великого кругообігу речовин та енергії в біосфері, вивержені глибинні породи мантійного походження (наприклад, базальти) тектонічними процесами виводяться з надр Землі у біосферу. Під впливом сонячної енергії і живої речовини вони вивітрюються, переносяться, знов відкладаються, перетворюючись при цьому на різноманітні осадові породи. В осадових породах концентрується і запасається сонячна енергія (наприклад, з вивержених мінералів утворюються глини, а вулканічні гази переходять у вугілля, нафту).

Далі за рахунок тектонічних рухів осадові породи потрапляють у зони високих тисків і температур Землі, де з них вивільняється сонячна енергія, відбуваються процеси метаморфозу й переплавлення, що призводить до утворення гранітних порід.

Кристалізовані вивержені породи знову за рахунок висхідних тектонічних рухів потрапляють у біосферу. Таким чином цикл завершується, але вже на новому рівні, адже з вихідних базальтів утворилися вивержені породи гранітного складу. Отже, великий кругообіг речовин та енергії в біосфері можна також визначити як еволюцію земної кори від океанічного типу (базальтової) до материкового типу (гранітної).

Для біосфери в цілому, як і для земної кори, характерні ритмічність і циклічність розвитку, що виявляється в усьому: у процесах магматизму, осадоутворення, змінах клімату та ін. Найбільш ритмічний, поступальний розвиток властивий живим організмам. Встановлені ритми й цикли різної тривалості: від 11-річного, зумовленого сонячною активністю, до мегациклу у 180-240 млн років, що збігається з Галактичним роком, тобто часом оберту Землі разом із Сонячною системою навколо центра Галактики. При цьому має місце не просто повторення процесів, а їх поступальний розвиток.

Малим, або біологічним, кругообігом речовин називають обмін хімічними елементами між живими організмами та неживими (косними) компонентами біосфери - атмосферою, гідросферою і літосферою. Іншими словами, це два боки єдиного процесу - утворення живої речовини та її розклад. Цей кругообіг характеризується тим, що спочатку жива речовина заряджається енергією, а потім у процесі розкладу органічних решток енергія повертається у навколишнє середовище. Біологічний кругообіг - це циркуляція речовин між ґрунтами, рослинами, тваринами та мікроорганізмами (рис. 4.2). Ця циркуляція відбувається у такій послідовності: спочатку мінеральні речовини та енергія поглинаються з навколишнього середовища і включаються до складу рослинних організмів, потім від рослин через трофічні ланцюги вони переходять в організми тварин та інших консументів і далі через ланку редуцентів повертаються назад у ґрунт чи атмосферу.

Біологічний кругообіг речовин та енергії характерний для екосистем будь-якого рівня організації - від окремого комплексу живих організмів до біосфери в цілому. Організми залучають атоми біогенних речовин з косної частини біосфери і включають їх до свого організму, де поглинені речовини вступають у різноманітні біохімічні реакції, а потім виділяються у зовнішнє середовище у вигляді продуктів життєдіяльності або мертвих тіл. Організоване таким чином життя на Землі існує вже мільярди років (рис. 4.2).

Рис. 4.2. Біологічний кругообіг речовин

Геологічний і біологічний кругообіги тісно взаємопов'язані, взаємодіють між собою, іноді зливаючись воєдино. Але все ж таки структурно і функціонально вони істотно відрізняються. Біологічному кругообігу притаманні такі характерні особливості порівняно з геологічним:

його дія відбувається, як правило, у межах біогеоценозу, тоді як геологічний відбувається на великих територіях - материках та прилеглих до них частинах океану;

- головною причиною і рушійною силою біологічного кругообігу є різний характер живлення продуцентів, консументів і редуцентів, а геологічного - кругообіг води між океаном і сушею; у малому кругообігу беруть участь тільки біогенні елементи, тоді як у великому - всі хімічні елементи, які є у земній корі;

- тривалість циклів хімічних елементів у біологічному кругообігу є короткочасною (рік, декілька років, десятки і сотні років), а тривалість циклу у геологічному становить десятки і навіть сотні тисяч років.

Обидва кругообіги речовин - біологічний та геологічний - рухаються завдяки енергії Сонця і силі гравітації. Біологічний кругообіг швидкий і розімкнений: початкова і кінцева ланки замикаються через доступні неорганічні речовини. Геологічний кругообіг повільний і замкнений. Частина речовин із біологічного кругообігу надходить у геологічний у вигляді відмерлих ре шток, утворюючи осадові породи, які з часом під впливом тиску, температури та інших факторів трансформуються у граніти. Тектонічні підняття спричинюють винесення частини гранітних порід на поверхню. Граніти вивітрюються, і, як наслідок, утворюється фонд доступних речовин, які в подальшому знову залучаються до біологічного кругообігу.

Процеси кругообігу речовин у біосфері здійснюються збалансовано. Переважна більшість речовин, залучених до біологічного кругообігу, повертається у мінеральний стан і стає доступною для повторного використання живою речовиною. Лише невелика їх частина відкладається у осадових породах, але ці втрати компенсуються речовинами, які вивільняються з гірських порід у результаті процесів вивітрювання.

Баланс та узгодженість біологічного і геологічного біосферних циклів досягаються завдяки живій речовині, тобто за рахунок утворення нових видів у разі появи нових ресурсів чи нових умов середовища, а також за рахунок формування численних прямих і зворотних зв'язків між різними організмами і факторами середовища. Зазвичай прискорення вивітрювання гірських порід спричиняє зростання кількості біогенних речовин, що, у свою чергу, стимулює збільшення кількості живої речовини і підвищує інтенсивність процесів винесення речовин у Світовий океан. Там інтенсивніше нагромаджуються донні осади, а у біосфері починає швидко зменшуватися кількість доступних речовин. Біосфера переходить на так званий "голодний" режим, що супроводжується масовим вимиранням видів і посиленням конкурентної боротьби за ресурси. Водночас прискорюються процеси утворення нових, більш конкурентоспроможних та "економних" видів. Проте вимирання відбувається набагато швидше, ніж видоутворення. Наприклад, внаслідок катастрофічного вимирання багатьох видів флори і фауни у палеозої й ранньому мезозої відбувалося надзвичайно швидке нагромадження осадових порід протягом кам'яновугільного і крейдового періодів.

Вимирання завжди завершувалося появою на планеті нових класів і типів (відділів) тварин і рослин. Ще й досі тривають дискусії учених про причини порушення балансу між біологічним і геологічним кругообігами, однак катастрофічні наслідки цього очевидні. Сьогодні ситуація аналогічна, але, на відміну від попередніх епох, головною причиною порушення кругообігу речовин у біосфері є діяльність людини - так званий антропогенний фактор.

По-перше, йдеться про досить сильне штучне прискорення процесів вивітрювання осадових і гранітних порід, пов'язане з видобуванням і переробкою корисних копалин, спалюванням вугілля, нафти, торфу, природного газу. У результаті в атмосфері збільшується вміст вуглекислого газу, оксидів сірки. Внаслідок випадання кислотних дощів зменшується рН ґрунту, що призводить до переходу багатьох елементів у розчинений стан. Деякі з них у великих концентраціях токсичні та небезпечні для всього живого (наприклад, важкі метали - мідь, цинк, свинець). Це призводить до уповільнення процесів обертання речовин у біологічному циклі, оскільки гинуть носії живої речовини. Та чим більше елементів переходить у розчин, тим більше їх вимивається у Світовий океан, який активно збагачується біогенними елементами. Внаслідок цього частішають спалахи "цвітіння" океану мікроскопічними водоростями, які нерідко пригнічують розвиток консументів, котрі їх споживають (порівняно з минулими століттями частота спалахів "цвітіння" у Світовому океані зросла в 50-130 разів). Усе це прискорює процеси вилучення з біосфери доступних біогенних речовин та їх "консервації" у донних відкладах.

По-друге, людина у процесі своєї господарської діяльності створює численні речовини (наприклад, пластмаси), які надалі не можуть бути ні використані продуцентами, ні розкладені до доступних мінеральних речовин редуцентами. Ці речовини утворюють особливу групу антропогенних "осадових" порід - відходів цивілізації, які археологи назвали "культурним шаром". Ці відходи зрештою будуть трансформовані в літосфері у граніти і потім у процесі вивітрювання знов стануть доступними для живої речовини, але відбудеться це тільки через мільйони років. Тому нині реальна загроза того, що доступні ресурси біосфери можуть бути перероблені на відходи швидше, ніж завершиться цикл геологічного кругообігу. Що у цьому разі станеться з біосферою (у тому числі й з людиною), передбачити нескладно.

Для того, щоб біосфера могла існувати а процеси, які в ній відбуваються, не припинялися, мають постійно функціонувати кругообіги біологічно важливих, тобто біогенних, речовин. Біогенними називають елементи, які обов'язково входять до складу живих організмів: С, Н, О, N, Р, S, К, Са, Mg, Fe, Cu, Mn, Zn, Мо, Сl, Вr, І; найголовнішими з них є перші шість - вуглець, водень, кисень, азот, фосфор та сірка. Безперервний кругообіг біогенів є основною умовою існування життя і всієї біосфери. Кругообіг міогенів - це взаємний обмін хімічними елементами компонентів екосистеми, що складають завдяки цьому структурне ціле. Головна причина виникнення кругообігів полягає у постійній невідповідності між потребами організмів і наявністю доступних поживних речовин, що зумовлює необхідність повторного використання біогенів за типом кругообігу (циклу). Щорічно такі цикли спричиняють рух приблизно 480 млрд т різних речовин.