Підручник з Біології і екології (профільний рівень). 11 клас. Задорожний - Нова програма

§ 93. Біогеохімічні цикли

Поміркуйте

  • Які гірські породи й корисні копалини утворені рештками живих організмів?

Згадайте

  • Хемосинтез, фотосинтез
  • Колообіг речовин
  • Біогенні хімічні елементи

Роль живої речовини в біосфері

У біосфері відбувається переважна більшість хімічних перетворень на планеті, тобто вона виконує глобальну метаболічну функцію. Діяльність живих організмів впливає на всі геологічні процеси, що формують зовнішній вигляд Землі. Живі організми не лише пристосовуються до умов зовнішнього середовища, але й активно їх змінюють. Вони вловлюють і перетворюють енергію Сонця, змінюють хімічний склад атмосфери, беруть участь в утворенні ґрунтів і осадових порід.

В. І. Вернадський виокремлював 4 функції живої речовини в біосфері.

Газова функція полягає в здатності змінювати й підтримувати газовий склад атмосфери. У здійсненні газової функції провідна роль належить зеленим рослинам, які в процесі фотосинтезу поглинають вуглекислий газ і виділяють в атмосферу кисень. У процесі функціонування організмів виділяються також вуглекислий газ (дихання тварин, рослин та ін.), азот (азотфіксуючі бактерії), сірководень (сіркобактерії), метан (метаноутворюючі бактерії). Виконання цієї функції також спричинило утворення захисного озонового екрану.

Окисно-відновна функція полягає в хімічному перетворенні речовин з утворенням солей, кислот, оксидів і інших класів хімічних сполук у результаті окисно-відновних процесів. Ця функція, зокрема, здійснюється бактеріями, які в процесі життєдіяльності окиснюють або відновлюють різні сполуки, отримуючи енергію. Вони мають велике значення для утворення корисних копалин.

Наприклад, у результаті діяльності залізобактерій утворилися осадові залізні руди, сіркобактерій — родовища сірки.

Концентраційна функція — здатність накопичувати розсіяні в навколишньому середовищі (атмосфері, воді, ґрунті) атоми хімічних елементів. Деякі організми накопичують певні елементи в концентраціях, значно більших, ніж у природному середовищі, наприклад, сполуки Силіцію відкладаються у скелетах діатомових водоростей і губок, Кальцію — у черепашках молюсків і коралових поліпах, Фосфору — у кістках хребетних, Феруму — у залізобактеріях, Магнію — у деяких водоростях, Йоду — у водорості ламінарії, Карбону — в усіх організмах. Відмираючи, ці організми утворюють скупчення речовин, формують гірські породи та корисні копалини (залізні руди, вапняки, крейда, торф, вугілля тощо) (мал. 92.2, с. 193).

Біохімічна функція здійснюється в процесі обміну речовин у живих організмах (живлення, дихання, виділення) і деструкції відмерлих організмів та продуктів їхньої життєдіяльності. Біохімічна функція є основою колообігу хімічних елементів у біосфері. Вона забезпечує накопичення й перетворення енергії, яка вловлюється в процесах фотосинтезу і хемосинтезу та передається по трофічних ланцюгах разом із рухом органічних речовин.

Біогеохімічні цикли

В екосистемі відбувається постійний колообіг біогенних елементів: вони з абіотичного переходять у біотичний компонент під дією енергії сонця, потім повертаються у вигляді відходів життєдіяльності або мертвих організмів. Такий колообіг називають біогеохімічним циклом. Головними біогеохімічними циклами, що забезпечують життя на планеті (крім колообігу води), є циркуляція Карбону, Оксигену, Нітрогену, Фосфору, Сульфуру.

Біогеохімічний цикл Карбону. З атмосфери Карбон у складі CO2 засвоюється автотрофними організмами в процесі фотосинтезу. По трофічних ланцюгах у складі органічних сполук Карбон передається в організми тварин. Повернення Карбону в навколишнє середовище відбувається в процесах дихання або розкладання органічної речовини (виділення CO2). Істотна частина Карбону залишається в ґрунті, мулі, торфовищах, вугіллі. Частина атмосферного Карбону надходить з атмосфери в гідросферу.

Біогеохімічний цикл Оксигену. Загальна схема колообігу Оксигену в біосфері складається з двох гілок: утворення кисню під час фотосинтезу й поглинання його в окисних реакціях.

Біогеохімічний цикл Нітрогену. Фіксацію молекулярного азоту з атмосфери (азотфіксацію) і його перетворення на йони амонію здійснюють бульбочкові бактерії родини Rhizobiaceae. Нітритні й нітратні бактерії перетворюють йони амонію на нітрити й нітрати (здійснюють нітрифікацію), які легко засвоюються рослинами. Денітрифікуючі бактерії відновлюють нітрати до азоту (цей процес називають денітрифікацією). Органічні речовини, у складі яких є Нітроген (білки, амінокислоти), після гибелі організмів піддаються амоніфікації — розкладаються з утворенням амоніаку і йонів амонію амоніфікуючими бактеріями (мал. 93.1).

Мал. 93.1. Схема біогеохімічного циклу Нітрогену

Мал. 93.2. Схема біогеохімічного циклу Сульфуру

Біогеохімічний цикл Фосфору. Фосфор міститься в літосфері у формі ортофосфатів (солей ортофосфатної кислоти). Деякі ортофосфати розчинні у воді, і в такому виді ортофосфатіони легко засвоюються рослинами. А у процесі розкладання органічних речовин Фосфор переходить до складу неорганічних сполук.

Біогеохімічний цикл Сульфуру. Сполуки Сульфуру є в ґрунтах і підземних водах. Ці сполуки окиснюються сіркобактеріями до сульфатів і відновлюються десульфатуючими бактеріями до сірководню (гідроген сульфіду). Сульфур у складі сульфатів засвоюється рослинами й бактеріями. В їхніх клітинах він використовується для синтезу білків. Розкладання органічної речовини повертає Сульфур у ґрунт або атмосферу — у вигляді сульфатів або сірководню (мал. 93.2).

Ключова ідея

Живі організми впливають на геологічні процеси, що формують зовнішній вигляд Землі. Вони беруть участь у біогеохімічних циклах речовин, в утворенні ґрунтів та осадових порід, уловлюють і перетворюють енергію, формують склад атмосфери.

Запитання та завдання

1. Складіть схему біогеохімічного циклу Карбону. 2. Як людина змінює біогеохімічний цикл Карбону? Оксигену? 3. Для чого живим організмам потрібен Нітроген? До складу яких речовин він входить? 4. Поясніть, як концентраційна функція живих організмів пов'язана з утворенням корисних копалин.