Біологія. 9 клас. Шаламов

§ 52. Колообіг речовин і елементів

В екосистемах наявний потік енергії та колообіг речовин

У попередньому параграфі ми з’ясували, що в екосистемах спостерігається лінійний потік енергії: сонячна енергія поглинається продуцентами й потім передається від одного трофічного рівня до іншого, підтримуючи існування екосистеми, та зрештою розсіюється у вигляді теплоти.

Зміна енергії в екосистемах (як, зрештою, і загалом у Всесвіті) підпорядковується законам термодинаміки. Перший закон термодинаміки (закон збереження енергії) стверджує, що енергія не утворюється нізвідки й не зникає безслідно, а здатна лише переходити з однієї форми в іншу. Стосовно екосистем це означає, що вся енергія, яка міститься на всіх трофічних рівнях у вигляді хімічних зв’язків у живих і мертвих організмах, колись була енергією, яку вловили автотрофні організми.

Відповідно до другого закону термодинаміки теплова енергія не може бути використана живими організмами для виконання роботи, тому в екосистемах немає «колообігу» енергії. На відміну від енергії, хімічні елементи в екосистемах беруть участь у складних колообігах, живі організми включають їх до свого складу та повертають назад у довкілля. Розглянемо колообіг двох найважливіших хімічних елементів — Карбону та Нітрогену.

У колообігу Карбону беруть участь усі живі організми на планеті

Карбон є основою всіх органічних сполук і входить до складу всіх без винятку живих організмів, тому роль цього елемента для життя важко переоцінити. Карбон перебуває в природі в різних формах: у складі викопних вуглеводнів (нафта, природний газ), простих неорганічних сполук (вуглекислий газ, карбонати) і, звісно, у складних органічних сполуках у живих організмах. В атмосфері Карбон перебуває переважно в складі вуглекислого газу й метану, у літосфері — у вигляді вугілля, нафти, карбонатів, графіту та інших сполук.

Колообіг Карбону (рис. 52.1) в екосистемах пов’язаний із двома основними процесами — фіксацією вуглекислого газу в процесі фотосинтезу та його поверненням в атмосферу під час дихання. Автотрофні організми, наприклад, рослини й водорості, здатні включати неорганічний вуглекислий газ до складу цукрів та інших органічних речовин. Виділення вуглекислого газу назад в атмосферу відбувається в процесі дихання живих організмів і розкладання мертвої органіки.

Рис. 52.1. Колообіг Карбону в природі

Рис. 52.2. Причина парникового ефекту — відбиття тепла парниковими газами

У більшості стабільних екосистем процеси фіксації вуглекислого газу та дихання збалансовані. Рослини поглинають СО2, але їх поїдають тварини чи вони відмирають і розкладаються за участю редуцентів, що супроводжується виділенням такої самої кількості СО2 назад в атмосферу. Виняток становлять ті екосистеми, у яких біомаса в певний спосіб вилучається з колообігу. Насамперед це стосується морських екосистем, у яких мертві організми опускаються на дно, де гниття уповільнене через низькі температури та високий тиск. Серед наземних екосистем подібне характерне, наприклад, для боліт. А от тропічні ліси, попри те, що поглинають десятки гігатонн вуглекислого газу на рік, стільки ж виділяють назад в атмосферу. Це в жодному разі не означає, що ліси некорисні для планети й що їх вирубування ні до чого поганого не призводить: у складі їхньої біомаси є величезна кількість Карбону, і в результаті використання деревини ввесь цей Карбон повертається назад до колообігу!

Колообіг Карбону останнім часом привертає особливу увагу. Річ у тім, що вуглекислий газ і метан, разом із деякими іншими газами та водяною парою, спричиняють так званий парниковий ефект (рис. 52.2), який призводить до глобального потепління й зміни клімату. Протягом мільйонів років Карбон живих організмів виводився з екосистем у вигляді копалин — вугілля, нафти та газу. Інтенсивне спалювання цих корисних копалин і вирубування лісів останні півтора-два століття призвели до порушення карбонового балансу та підвищення концентрації вуглекислого газу в атмосфері. Вуглекислий газ слугує таким собі атмосферним теплоізолятором для планети, оскільки не пропускає теплового випромінювання від її поверхні. Це може призвести до зростання середньої температури, серйозних змін клімату та стихійних лих.

Колообіг Нітрогену неможливий без бактерій

Нітроген — один із найважливіших елементів, що входять до складу живих організмів. Повітря, яким ми дихаємо, на 78 % складається з азоту, але в ньому Нітроген перебуває у формі, у якій не може бути використаний живими організмами (адже сама назва «азот» перекладається з грецької як «безжиттєвий»). Це тому, що зв’язок між двома атомами Нітрогену в молекулі N2 дуже сильний, і щоб розірвати його, потрібна значна кількість енергії.

У промисловості для того, щоб розірвати зв’язки в цій молекулі, наприклад, для виробництва амоніаку, потрібні висока температура, тиск і каталізатор. У природі з цим завданням можуть упоратися лише деякі ґрунтові мікроорганізми — азотфіксувальні бактерії.

Рис. 52.3. Бульбочки азотфіксувальних бактерій на корінні сої

А. Зовнішній вигляд. Б. Поперечний переріз кореневої бульбочки. Видно рослинні клітини, наповнені бактеріями-симбіонтами (фіолетові).

Вони зв’язують атмосферний азот і переводять його в доступну для засвоєння рослинами форму. Багато азотфіксувальних бактерій живуть у симбіозі з рослинами. Деякі, наприклад, формують бульбочки на корінні представників родини Бобові (гороху, квасолі та інших рослин), але є й вільноживучі ґрунтові азотфіксатори (рис. 52.3).

Загалом більшість ключових етапів колообігу Нітрогену (рис. 52.4) в природі так чи так пов’язана з діяльністю бактерій. Так звані нітрифікувальні бактерії перетворюють амоніак, що утворюється азотфіксувальними бактеріями, на нітрити та нітрати, які рослини можуть використовувати для синтезу нітрогеновмісних органічних сполук — амінокислот, нуклеотидів, хлорофілу та інших. Тварини отримують сполуки Нітрогену, поїдаючи рослини чи інших тварин.

Рис. 52.4. Колообіг Нітрогену в природі

Нітроген із мертвих організмів чи відходів життєдіяльності тварин повертається в довкілля. Складні органічні сполуки в процесі амоніфікації розпадаються з утворенням амоніаку. Як нам уже відомо, амоніак може піддаватися нітрифікації з утворенням нітратів та нітритів і в такому вигляді знову поглинатися рослинами. З другого боку, частина нітратів та нітритів піддається денітрифікації з утворенням молекулярного азоту та газоподібних оксидів Нітрогену, які повертаються в атмосферу.

Таким чином, основні етапи колообігу Нітрогену можна подати у вигляді такої послідовності: зв’язування атмосферного азоту азотфіксувальними бактеріями з утворенням амоніаку —> нітрифікація амоніаку з утворенням нітратів і нітритів —> поглинання останніх рослинами та включення до складних органічних сполук —> поширення сполук Нітрогену трофічними рівнями екосистеми —> утворення амоніаку з відходів життєдіяльності організмів і мертвої органіки в результаті амоніфікації —> нітрифікація з утворенням нітратів і нітритів —> повернення в харчовий ланцюг чи денітрифікація з утворенням N2O та N2.

Людина стала невіддільною частиною в колообігу Нітрогену

Кількість Нітрогену, що зв’язується ґрунтовими мікроорганізмами, уже давно не забезпечує потреб аграрної промисловості. У наш час унесення до ґрунту азотних добрив є необхідною умовою існування сільського господарства, а їхнє виробництво зв’язує понад 80 млн тонн атмосферного азоту на рік. Для порівняння: ґрунтові бактерії зв’язують на рік близько 100 млн тонн азоту.

Цікаво, що до початку ХХ століття не було технологій промислового зв’язування азоту, але людина за сто років навчилася виробляти азотні добрива в кількостях, що наближаються до масштабів фіксації азоту в усій біосфері. Однак це призвело до нових проблем, пов’язаних із забрудненням довкілля. Одна з них виникає при змиванні азотних добрив в озера та інші водойми. Наслідком цього є евтрофікація — значне збільшення вмісту у водоймах мінеральних речовин. Унаслідок евтрофікації спочатку відбувається активне розмноження мікроскопічних водоростей і ціанобактерій (фітопланктону), що називають цвітінням води. Це знижує прозорість води та спричиняє брак світла для підводних рослин. Після відмирання фітопланктону й рослин гниття їхніх решток знижує концентрацію кисню у воді, призводячи до загибелі водних тварин від задухи. Зрештою різноманітність видів в екосистемі істотно зменшується, а такі водойми поступово перетворюються на болота.

Інша проблема пов’язана із забрудненням повітря оксидами Нітрогену, наприклад, тими, що утворюються у двигунах внутрішнього згорання під дією високої температури та тиску. Унаслідок реакції цих оксидів з водою утворюються нітратна та нітритна кислоти, що може призвести до випадання кислотних дощів, які є серйозною загрозою для довкілля. Результатом випадання кислотних дощів є суттєве збільшення кислотності ґрунту й води. Таке закислення спричиняє зменшення чисельності рослин в екосистемах. Харчові мережі починаються саме з рослин, тому їхня загибель змінює всю екосистему, призводячи до вимирання значної частини тварин і мікроорганізмів. У такий спосіб людська діяльність впливає навіть на віддалені природні угруповання.

Поміркуймо

Знайдіть одну правильну відповідь

1. Відповідальними за парниковий ефект переважно є такі два гази, як

  • А водень і пропан
  • Б метан і вуглекислий газ
  • В кисень й азот
  • Г аргон і радон
  • Д азот і вуглекислий газ

2. До зв’язування атмосферного вуглекислого газу здатні

  • А тварини
  • Б молочнокислі бактерії
  • В азотфіксувальні бактерії
  • Г ціанобактерії
  • Д цвілеві гриби

3. Поглинають більше вуглекислого газу, ніж виділяють до атмосфери,

  • А тропічні ліси та коралові рифи
  • Б болота й морські екосистеми
  • В екосистеми річок і струмків
  • Г трав’янисті угруповання
  • Д пустелі

4. Бульбочкові бактерії беруть участь у процесі зв’язування атмосферного

  • А азоту
  • Б вуглекислого газу
  • В амоніаку
  • Г водню
  • Д метану

5. Забруднення повітря оксидами Нітрогену небезпечне через

  • А зниження концентрації азоту в атмосфері
  • Б збільшення концентрації азоту в атмосфері
  • В збільшення концентрації амоніаку в атмосфері
  • Г зниження концентрації кисню в атмосфері
  • Д збільшення ризику випадання кислотних дощів

Сформулюйте відповідь кількома реченнями

6. Чому в екосистемах наявний потік, а не колообіг енергії? Чому для речовин є і потік, і колообіг?

7. Схарактеризуйте колообіг Карбону в природі. Які істоти є визначальними в підтриманні його збалансованості?

8. Які заходи можуть бути найефективнішими для зниження концентрації вуглекислого газу в атмосфері?

9. Чому екосистеми страждають від евтрофікації?

10. Традиційний спосіб підвищення родючості ґрунту пов’язаний із вирощуванням на ньому гороху та заорюванням його зеленої маси як добрива. Поясніть механізм цього способу підвищення родючості.

Знайди відповідь і наблизься до розуміння природи

11. Яка роль метану у виникненні парникового ефекту? Які заходи вживають для зниження його концентрації?

12. У чому небезпека кислотних дощів для існування екосистем?

Дізнайся самостійно та розкажи іншим

13. Не всі вчені погоджуються з тим, що глобальне потепління пов’язане з діяльністю людини та є небезпекою для біосфери. Наведи аргументи обох сторін у дискусії про роль людини у збільшенні парникового ефекту.

14. За час історії Землі концентрація вуглекислого газу в атмосфері значно змінювалася. Поясни, на підставі яких даних це було встановлено та з чим пов’язані ці зміни.