Біогеохімічний кругообіг речовин у біосфері – це найважливіший природний процес безперервного обміну різних елементів між неживою середовищем і організмами (тваринами, рослинами тощо) В основі всього лежать їх принципові характеристики. До найбільш важливих можна віднести здатність до обміну речовин, розмноження, до передачі спадкових властивостей.
Біогеохімічний кругообіг азоту
Кожен елемент має своє значення. Важливу роль у складі різних органічних сполук грає азот. Незважаючи на високий процентний вміст азоту в атмосфері, він недоступний рослинам і тваринам. Цьому є свої причини. Енергетично рослинам більш вигідно використовувати мінеральний азот, а тварин – у складі органічних сполук.
Молекулярний азот з атмосфери пов’язують азотофіксуючі мікроорганізми і сприяють його накопиченню в грунті у вигляді аміаку. Інші використовують азот мертвих організмів. Також вони сприяють накопиченню аміаку. Він перетворюється в нітрати, активно використовуються рослинами. Такі в загальних рисах особливості біогеохімічного кругообігу азоту. Розглянемо також процес обміну інших природних речовин.
Особливості біогеохімічного кругообігу вуглецю, сірки і фосфору
Дані хімічні елементи необхідні кожному живому організму. Однак їх життєві потреби цим не вичерпуються. Тому у малому біологічному кругообігу беруть участь макроелементи (потреба організмів в них досить велика): калій, магній, натрій; а також мікроелементи: бор, марганець, хлор і ін
Вони надходять у рослини з ґрунту, хоча нерідко і з атмосферними опадами. У складі фітомаси вуглець, сірка, фосфор споживаються растительноядными консументами і таким чином вступають в трофічні ланцюги. Втім, деякі тварини задовольняють потребу в цих елементах, минаючи рослини. Копитні відвідують солонці, вигризаючи грунт, або поїдають екскременти, старі кістки. Морські тварини поглинають солі безпосередньо з води. У процесі мінералізації мертвих залишків мікроорганізми повертають хімічні елементи в грунт і у воду. Таким чином їх діяльність сприяє збагаченню навколишнього середовища біогенними елементами.
Збалансованість екосистеми
У малому біогеохімічному кругообігу в біосфері важливою обставиною є його повнота. В екосистемі прихід і витрата елементів збалансований, при цьому складнощі виникають в основному з елементами, резервирующимися в ґрунті.
Збалансованість потоку речовин і енергії визначає стійкість екосистеми – її гомеостаз. Біосфера використовує зовнішні джерела енергії, що забезпечує її упорядкованість і досить складну структуру. Розсіяна світлова енергія рослинами переводиться в концентроване стан енергії хімічних зв’язків.
При цьому як вилучення енергії з середовища, так і її трансформація не призводить до утворення відходів.
Вплив діяльності людей на біосферні процеси
Втручання людини у біогеохімічні кругообіги здійснюється різними шляхами. Насамперед, це руйнування дал біокомпоненту екосистеми (знищення рослин або зміна території при видобутку енергоносіїв). При спалюванні органічного речовини енергія з концентрованого стану переходить у розсіяне, що призводить до теплового забруднення аерозолями і газоподібними продуктами згорання. У природній екосистемі багаторазово використовуються атоми, які беруть участь у біогеохімічних циклах. Цьому сприяє участь у круговоротах легких біогенних елементів, з яких складається життєвий речовина.
Втручання людини тягне за собою привнесення в навколишнє середовище не тільки додаткової кількості властивих їй елементів, а й нові хімічні сполуки, в тому числі і синтезовані людиною. Багато з них поглинаються рослинами і потім надходять у ланцюги живлення.
Прикладом можуть служити свинець, сполуки ртуті, миш’яку та ін. Надходження таких речовин порушує природний кругообіг, змінюючи баланс елементів, або призводить до їх накопичення в живих організмах, знижуючи їх продуктивність або викликаючи загибель. Особливо сильний деструктивний вплив чинять пестициди та важкі метали. Таким чином, стійкість екосистеми, її гомеостатичность може порушуватися прямо або побічно діяльністю людини.
Екологічна піраміда
Звернемося до найважливіших закономірностям функціонування екосистеми та біогеохімічних кругообігів. Скористаємося для цього принципом екологічної піраміди. Вона будується на основі біологічної маси трофічних рівнянь. Площа будь-якої частини такої піраміди приблизно дорівнює масі речовини. Так як організми будують свій рівень, використовуючи попередні, ця площа повинна поступово скорочуватися. Таке зменшення кожного рівня може бути десятикратним.
Наприклад, екологічна піраміда, характерна для наземних екосистем, в яких продуценти – багаторічні рослини, мають велику біомасу, хоча продукційний процес має найвищу інтенсивність. Він врівноважується річним приростом маси рослиноїдних тварин. Закономірність утворення органічної маси називають правилом піраміди. Існують і інші її різновиди.
Перевернута піраміда
Візьмемо екосистеми водойм. Піраміда, побудована для них, може виглядати дещо інакше. Вона має вигляд перевернутої. Справа в тому, що недовго живуть водорості дуже швидко розмножуються, але настільки ж інтенсивно споживаються консументами. Тому одномоментно врахована біомаса в цьому випадку не відображає інтенсивність продукційного процесу в найсприятливіший період року. Якщо ж врахувати, що великі консументы (риби, ракоподібні) повільніше накопичуються і поїдаються, сумарна маса консументов виявляється більш високою.
Продукційний процес в екосистемі дає можливість їх успішного функціонування. Він визначає характер потоку енергії в біосфері. Як відомо, живі організми є її споживачами. Потрапляє від сонця світлова енергія використовується зеленими рослинами і призводить до утворення органічних молекул, де вона запасається у вигляді хімічних зв’язків. Частина її звільняється в процесі дихання рослин і використовується ними для зростання, поглинання і пересування речовин. Так здійснюється біогеохімічний кругообіг.
Обмін енергією
Як відомо, існують закони термодинаміки. Частина енергії втрачається, віддаючи тепло. В цьому проявляється дія одного з законів. Він стверджує обов’язковість втрати енергії в процесі її перетворення з одного виду в інший. При накопиченні в рослинній речовині вона використовується тваринами.
Розщеплення молекул супроводжується вивільненням енергії. Значна частина її використовується в процесі життєдіяльності тварин, переходячи при цьому з однієї форми в іншу. Це процеси біосинтезу і скупчування енергії нових зв’язків. Це механічна, електрична, теплова та інші види енергії. При її перетворенні частина знову втрачається, віддаючи тепло. Енергія поступово переходить на інший рівень. При цьому її втрата відбувається також при викиданні частини не перевареної їжі (екскрементів) і в органічних відходах метаболізму (экскретах).
Процес використання енергії
В природі рідко зустрічається хаос, зазвичай все впорядковано. Звернемо увагу на деякі кількісні закономірності процесу використання і перетворення енергії. На першому етапі рослини використовують в середньому близько 1% її надходжень. Іноді цей показник сягає 2%. У найменш сприятливих умовах він знижується до 0,1%. При переході енергії від продуцентів до консументам першого порядку ефективність досягає 10%.
М’ясоїдні, як бачимо, більш ефективно засвоюють їжу. Це пов’язано з особливостями хімічного складу їжі і легкістю її перетравлення тваринами. І тим не менше вже на рівні консументов третього порядку кількість енергії, що надходить досить невелика і характеризується тисячними частками від початкових значень.
