Основи екології - Олійник Я.Б. - Кругообіг біогенних катіонів - Nа, К, Са, Мg

Сірка входить до складу амінокислот, білків та інших складних органічних сполук. Головним джерелом сірки є розчинені у воді продукти вивітрювання гірських порід (найчастіше сульфіди заліза як основний компонент колчеданів) або сірководень і сірчистий газ, які виділяються в атмосферу вулканами, гейзерами, гарячими джерелами. Сірководень, окиснений атмосферним киснем до сірчистого газу, розчиняється у водяній парі атмосфери і випадає з дощем на поверхню планети. Потреби організмів у сірці відносно невеликі, а природні резервуари сірки величезні, тому сірка не є лімітуючим біогеном.

Головна роль в обмінному фонді сірки належить спеціалізованим мікроорганізмам, одні види яких виконують реакцію окиснення, інші - відновлення. У регуляції глобального кругообігу сірки беруть участь повітря, вода і ґрунт. Сульфат (804) є основною доступною формою сірки, що відновлюється автотрофами та включається у білки. До складу живої речовини сірка потрапляє шляхом поглинання розчинених у воді іонів сульфатів росливами-продуцентами. Потім сірка у складі рослинних білків ланцюгами живлення потрапляє до консументів і редуцентів. У анаеробних умовах (наприклад, у болотах) редуценти розкладають білки з виділенням сірки у вигляді сірководню, який може бути окиснений до молекулярної сірки або до розчинних сульфатів і сульфідів. У такій формі сірка знову стає доступною для продуцентів.

Зараз на кругообіги азоту і сірки все більше впливає техногенне забруднення повітря, особливо спалювання викопного палива. Майже третина сірки, що циркулює в біосфері, потрапляє в атмосферу з димогазовими викидами заводів, фабрик і теплових електростанцій. Ця "зайва" сірка, розчиняючись в атмосфері з утворенням сірчаної та сірчистої кислот, випадає у вигляді кислотних дощів, які призводять до швидкої деградації багатьох екосистем.

Кругообіг біогенних катіонів - Nа, К, Са, Мg

Ці елементи у вигляді іонів потрапляють у живу речовину в процесі поглинання води рослинами, а також під час уживання питної води. Вони виконують різноманітні функції. Наприклад, калій необхідний для роботи калій-натрієвого насоса клітин, магній - обов'язковий складник хлорофілу, кальцій потрібний для підтримання постійного рН цитоплазми, він є головним компонентом панцирів, будиночків, скелетів багатьох тварин. Подібно до азоту, фосфору й сірки ці елементи мігрують трофічними ланцюгами від продуцентів через консументів до редуцентів. Після загибелі організму вони швидко переходять у водні розчини і знов стають придатними для подальшого використання.

У морях кальцій і магній частково вилучаються з біологічного кругообігу і консервуються в осадових породах. Наприклад, мікроскопічні морські водорості перевідкладають кальцій у вигляді карбонатів на поверхні клітин, утворюючи так звані поколіти. Після відмирання клітин коколіти не встигають цілком розчинитись у воді і осідають на дно, формуючи крейдяні осадові породи. Лише в геологічному вимірі часу, після підняття певних ділянок дна, кальцій, нагромаджений у крейді, вивільнюється в процесі вивітрювання і знов стає доступним для біоти. Отже, в природних водах, особливо в океані, реалізується потужна концентраційна функція гідробіонтів щодо кальцію і магнію.

В.І. Вернадський, узагальнюючи відомості про міграції різних біогенів у біосфері, сформулював закон біогенної міграції атомів: міграція хімічних елементів на земній поверхні і у біосфері в цілому відбувається або за безпосередньої участі живої речовини, або ж вона протікає у середовищі, геохімічні особливості якого зумовлені живою речовиною, як тією, що зараз населяє біосферу, так і тією, що діяла на Землі протягом усіє геологічної історії. Кожний організм обирає із середовища необхідні йому хімічні елементи у вигляді сполук і атоми у вигляді ізотопів. При цьому біохімічні процеси розпадаються на два типи: перші пов'язані з живленням, диханням, розмноженням організмів, другі - з руйнуванням тіла відмерлих організмів і переходом живої речовини у косну матерію.

Цей закон має широке поле виявів на поверхні Землі. Йдеться про те, що шляхи міграції основних біогенних елементів та їхня концентрація у зовнішніх сферах Землі давно вже контролюється біосферою. Без такого регуляційного впливу Земля давно втратила б не просто кілька найменш пристосованих видів, а й всю свою біосферу. Тобто міграція хімічних елементів на земній поверхні та в біосфері в цілому здійснюється під переважаючим впливом живої речовини, організмів. Так відбувалося і в геологічному минулому мільйони років тому, так відбувається і в сучасних умовах. Жива речовина або бере участь у біохімічних процесах безпосередньо, або створює відповідне, збагачене киснем, вуглекислим газом, воднем, азотом, фосфором та іншими речовинами середовище.

Цей заков має важливе практичне і теоретичне значення. Розуміння всіх хімічних процесів, що відбуваються в геосферах, не можливе без урахування дії біогенних факторів, зокрема еволюційних. Нині люди впливають на став біосфери, змінюють її фізичний і хімічний склад, умови біогенної міграції атомів, що збалансована віками. У майбутньому це може спричинити дуже негативні зміни, які набувають здатності до саморозвитку, стають глобальними і некерованими (спустелення, деградація ґрунтів, вимирання багатьох видів організмів тощо). За допомогою цього закону можна свідомо запобігати розвитку таких негативних явищ, а також керувати біогеохімічними процесами, використовуючи екологічні методи.

Залучення речовин у кругообіг забезпечується розвинутою системою інформаційних зв'язків між різними видами живої речовини. Це різноманітні фізичні (звук, колір, світло, температура тощо) та хімічні (запах) зв'язки. Інформаційні зв'язки поєднують всі частини екосистеми і сприяють збільшенню її стійкості, тобто здатності залишатися у стабільному стані при навантаженні або швидко відновлюватися після тих чи інших зовнішніх впливів. Звичайно, чим більше навантаження на екосистему, тим довше період її відновлення.

Біохімічні функції біосфери дуже різноманітні, але ця різноманітність має єдину сутність: у своєму глобальному прояві "сфера життя" виступає акумулятором і також трансформатором сонячної енергії. Завдяки біосфері на всій планеті здійснюється активний зв'язок Землі з Космосом. Кількість сонячної енергії, яка акумулюється живою речовиною, величезна - щорічно в процесі фотосинтезу рослини зв'язують 7,178 o 1018 кДж енергії. Кругообіги різних речовин та біогенів дуже різняться і швидкістю перебігу, і процесами руху елементів, але всі вони мають дві спільні риси: по-перше, пов'язані з потоком енергії, який проходить через кожну екосистему; по-друге, хімічні елементи, що беруть участь у біохімічних процесах обміну речовин, навперемінно переходять з косної речовини у живу і назад - у косну.

Отже, всі кругообіги хімічних елементів і речовин, які відбуваються у біосфері, є дуже складними, тому їх механізми до кінця не розкриті. Абсолютно точно, що всі кругообіги тісно пов'язані, переплітаються між собою, іноді зливаються, утворюючи в біогеоценозах єдиний біогеохімічний цикл, конкретний для кожної екосистеми. Ті, у свою чергу, об'єднуються у єдиний потужний глобальний біологічний кругообіг речовин біосфери, що пов'язує живу і косну речовину всієї планети. При цьому сама біосфера як стійка жива екосистема глобального масштабу значною мірою є результатом цього процесу.