Колообіги речовин, енергії, інформації та їх зміни антропогенною діяльністю

В порівнянні з тривалістю існування біосфери людина існує надзвичайно короткий час. Проте, за цей короткий проміжок часу колообіг речовин в біосфері змінився радикально. В.І.Вернадський підрахував, що в античні часи люди використовували лише18 хімічних елементів, у XVIII ст. - 29, у XIХ ст. - 62, а тепер використовуються 89 елементів, що є в земній корі, крім того одержані

такі, яких у природі зовсім немає (плутоній, технецій тощо)

Людина небувало прискорила колообіг деяких речовин - родовища заліза, цинку, свинцю інших елементів, які природа накопичувала мільйони років, швидко вичерпуються. Людина швидкими темпами використовує сонячну енергію “минулих біосфер”, накопичену в вугіллі, нафті, природному газі, вона вивільняє енергію, що міститься в урані. Все це збільшує неврівноваженість біосфери. Створюючи водосховища, дістаючи воду з глибинних водоносних горизонтів, людина втручається в колообіг води в природі. Людині слід чітко уявити, що вони намагаються побудувати для себе та своїх нащадків, бо нічого з того, що робиться з природою, виправити неможливо.

З екологічної точки зору найважливішими є колообіги речовин, які є основними компонентами живої речовини: коло обіг кисню; вуглецю; води; азоту; сірки; фосфору.

В. І. Вернадський зазначав, що на земній поверхні немає хімічної сили, яка б діяла постійніше, а тому й могутнішої за своїм кінцевим результатом, ніж загалом взяті живі організми.

Жива речовина виконує хімічні функції: газову, концентраційну, окисно-відновну і біохімічну.

Газову функцію здійснюють зелені рослини, які в процесі фотосинтезу виділяють в атмосферу кисень, рослини і тварини, які під час дихання виділяють вуглекислий газ, а також багато видів бактерій, які відновлюють азот із сполук, сірководень та ін.

Концентраційна функція пов'язана з нагромадженням у живій речовині хімічних елементів (вуглецю, водню, азоту, кисню, кальцію, калію, силіцію, фосфору, магнію, сірки, хлору, натрію, алюмінію, заліза). Окремі види є специфічними концентраторами деяких елементів: багато

морських водоростей — йоду, жовтці — літію, ряска — радію, діатомові водорості і злаки — силіцію, молюски і ракоподібні — міді, хребетні — заліза, бактерії — мангану.

Окисно-відновна функція виявляється в окисненні речовин за участю організмів у грунтах і гідросфері, що супроводжується утворенням солей, оксидів тощо, та відновленні деяких речовин (сірководень, сульфат заліза та ін.). З діяльністю бактерій пов'язане формування вапняків, бокситів,

залізних, манганових і мідних руд тощо.

Біохімічна функція реалізується в процесі обміну речовин у живих організмах (живлення, дихання, виділення) і руйнування, деструкції відмерлих організмів та продуктів їхньої життєдіяльності. Ці процеси і процеси зумовлюють колообіг речовин у природі, біогенну міграцію атомів.

У процесі фотосинтезу рослини засвоюють вуглець, який надходить до листків із повітря у вигляді вуглекислого газу, й утворюють вуглеводи. При цьому відбувається перетворення сонячної енергії на хімічну. В цьому полягає космічна роль зелених рослин. У процесі дихання рослин частина

вуглеводів окиснюється і вуглекислий газ виділяється у повітря. Більша частина вуглеводів нагромаджується у рослинах, де утворюються також білки і жири. Рослини поїдаються гетеротрофними організмами, таким чином сполуки, синтезовані рослинами, проходять через низку ланок у ланцюгах живлення. Під час дихання рослин вуглеводи окиснюються. За рахунок вивільнення енергії відбуваються всі життєві процеси, а вуглекислий газ виділяється в повітря.

Відмерлі рослини і тварини розкладаються за участю гнильних бактерій: при цьому також окиснюється вуглець органічних речовин з утворенням CО₂, що надходить у навколишнє середовище. Внаслідок розкладання решток організмів за відсутності кисню, тобто без окиснення (наприклад, на дні водойм), утворюються торф, кам'яне вугілля, нафта, сланці. Людина їх використовує як джерело енергії, а вуглекислий газ також надходить в атмосферу. Так, в одних випадках довге, а в інших — коротке коло замикається і розпочинається новий цикл включення вуглецю в органічні сполуки, що синтезуються рослинами.

Кисень атмосфери має біогенне походження. Він постійно надходить в атмосферу внаслідок перебігу процесів фотосинтезу. Вільний кисень в процесі дихання використовується аеробними організмами. Одним із кінцевих продуктів окиснення вуглецю є СО₂. В сполуці з вуглецем кисень повертається у зовнішнє середовище, щоб знову надійти у фотосинтезуючі організми.

Оскільки вивільнення енергії з органічних і неорганічних сполук супроводжується розщепленням їх у процесі окиснення, то колообіг кисню забезпечує колообіг усіх біогенних елементів.

Так створюються колообіг біогенних елементів і потік енергії в межах сукупності організмів. Постійне надходження енергії живить цей циклічний процес і компенсує неминучу втрату енергії із системи у вигляді теплового випромінювання.

Внаслідок колообігу речовин у біосфері відбувається безперервна біогенна міграція елементів. Необхідні для життя рослин і тварин хімічні елементи переходять із середовища в організм. Під час руйнування організмів ці елементи знову повертаються в середовище, звідки надходять в організм або відкладаються у вигляді біогенних геологічних порід (тобто колообіг речовин у природі замкнений не повністю).

У біогенній міграції елементів беруть участь різні організми, в тому числі й людина. В зв'язку з цим міграцію біогенних елементів поділяють на три типи: перший (найпотужніший) здійснюють мікроорганізми, другий — багатоклітинні організми, третій — людина, що оволоділа різними формами енергії (механічною, електричною, атомною) і тим самим сприяла значній зміні біогенної міграції елементів. В. І. Вернадський зазначав, що біогенна міграція зумовлена трьома грація зумовлена трьома процесами життєдіяльності: обміном речовин в організмах, ростом і розмноженням їх. Із неживої природи атоми біогенних елементів насамперед вбираються рослинами, а від них по ланцюгах живлення переходять до тварин і людини.

Технологічний хімічний кругообіг – один із сучасних впливів людини на функціонування геосистеми.

В процесах виробництва створюються тисячі нових сполук, багато з них у природних умовах не утворюються. Частина сполук призначена для цілеспрямованого впливу на природне середовище (мінеральні добрива, пестициди), але більшість потрапляє у геохімічний кругообіг випадково, у вигляді відходів виробництва. Серед елементів земної кори, що залучені у технологічний кругообіг, на першому місці є С, Ca, Fe, Al, Cl, Na, S, N, P, K, Cu, Z, Zn та інші.

Багато техногенних елементів розпочинає свою міграцію у повітряному просторі. Найбільша кількість викидів в атмосферу припадає на діоксид вуглецю (не менше 10-15 млн. т. щорічно) – головний продукт згорання палива, його супутниками є інші гази: окис вуглецю (двигуни внутрішнього згорання; нафтопереробні підприємства), сірчаний ангідрид (при опаленні, переробці нафти, вугілля, сланців, виплавці кольорових металів, виробництві сірчаної кислоти, цементу, целюлози та інші). Крім газів в атмосферу потрапляють тверді продукти згорання: пил (цементна, вугільна промисловість), пилові бурі. Головними компонентами пилу є кремнієвий ангідрид , крім того можуть бути Pb, As, Ni, Co, Sb (свинець).

Біогеохімічні процеси в біосфері пов'язані з діяльністю людини. З появою людини біосфера набула нової якості. Діяльність людини — потужний екологічний фактор. У сучасний період існування нашої планети найбільші перетворення в біосфері здійснює саме людина. Розорювання значних

територій, створення великих населених пунктів і промислових підприємств, добування корисних копалин, спорудження каналів, водосховищ, зміна русел річок, насаджування лісів — всі ці дії людини значно змінюють природу. Діяльність людини відбивається на зміні клімату, рельєфу місцевості, видового і чисельного складу флори і фауни. Використання атомної енергії спричинило нагромадження радіоактивних речовин в атмосфері і Світовому океані. Видобутком із надр і спалюванням вугілля, нафти, газу, видобуванням руди і виплавлянням чистих металів, створюванням сплавів і синтетичних речовин, яких не існувало в природі, і нових хімічних елементів, розсіюванням, нарешті, продуктів своєї діяльності людина значно посилила біогенну міграцію елементів.

Енергетичний баланс біосфери. Зміни енергетичного балансу біосфери, пов'язані з діяльністю людини

Енергія - це загальна кількісна міра руху та взаємодії усіх видів матерії. Відповідно до закону збереження енергії, вона не зникає та не виникає з нічого, а тьчьки переходить з однієї форми до іншої.

Потік енергії на Земній кулі має три джерела:

- кінетична енергія оберту Землі та її супутника Місяця як космічних тіл. Вона проявляється в морських припливах, енергія яких недоступна живим організмам, але може використо­вуватися людиною;

- енергія земних надр, яка підтримується ядерним розпадом урану та торію. Ця енергія виділяється у формі геотермічного тепла. У вулканічних районах вона використовується для опалення оранжерей та басейнів;

- сонячна енергія, на базі якої здійснюється життєдіяльність в автотрофних організмів.

На Сонці енергія виникає в результаті ядерних перетворень. Але 40% її одразу відбивається у космічний простір, а 15% поглинається атмосферою: або перетворюється в тепло, або витрачається на випаровування води. В атмосфері в основному сонячну радіацію поглинає водяна пара. В океанах цю роль виконує рідина (вода), на суходолі - гірські породи та грунт. Велика частина радіації відбивається в атмосферу від поверхні льоду та снігу.

Всю біосферу можна розцінювати як єдине природне утворення, що поглинає енергію з космічного простору та направляє її на внутрішню роботу. У біосфері енергія тільки переходить з однієї форми до іншої та розсіюється у вигляді тепла. Основними перетворювачами енергії в біосфері є живі організми. Вони перетворюють вільну променисту енергію в хімічно зв'язану, котра потім переходить від одних біосферних структур до інших.

При кожному переході частина енергії перетворюється в тепло та втрачається в навколишньому просторі. Рослини та земна поверхня в середньому на рік поглинають енергію. Ця величина різна на різних широтах. Ефективність перенесення енергії в живій речовині доволі низька. При її перенесенні від продуцента до консу ментів першого порядку вона складає всього 10%, а при перенесенні від консументів першого порядку до консументів другого порядку – 20%.

Завершується потік енергії на редуцентах, де енергія або ж остаточно розсіюється у вигляді тепла, або акумулюється в мертвій органічній речовині (детрит). Однією з форм тривалого збереження акумульованої енергії с нафта, вугілля та торф.

Потік сонячної енергії, який надходить до біосфери, приводить в дію біохімічний кругообіг. На відміну від кругообігів води та інших речовин, потік енергії рухається в одному напрямку. Якщо падаючий потік сонячної енергії має радіальний (вертикальний) напрямок, то подальший його шлях має здебільшого горизонтальний (латеральний) характер.

Великим енергетичним потенціалом відзначаються латеральні потоки повітряних мас (вітер), які, проникаючи в лісові чи лугові фітоценози, розхитують стовбури і стебла, розворушують листові пластинки чи квіти, піднімають і переносять насіння, охолоджують нагріте рослинне середовище, сприяючи тим самим подальшій трансформації збудженої механічної енергії в теплову чи хімічну. Латеральні снігові замети сприяють накопиченню вологи у полезахиснім смугах та узліссях лісових екосистем, що згодом підвищить енергію біохімічних процесів. Лате­ральні потоки енергії приливів сприяють швидшому кругообігу мінеральних елементів живлення, переміщешпо корму і відходів. Людство навчилося використовувати додаткову енергію природи, створивши сучасні технології відновлювальної енергії.

Радіальні і латеральні потоки енергії, можуть виникати і внаслідок антропогенної діяльності. Передусім це радіальні потоки хімічних, металургійних, гірничопереробних підприємств і теплових електро­станцій, які виносять в атмосферу величезну кількість токсичних викидів. Далі вони вже латеральними повітряними потоками (часто транс­континентальними) переносяться на великі віддалі і знову таки радіальними потоками опускаються на земну поверхню. Ці потоки механічної енергії є транспортом для хімічної енергії, яка проявляє себе в біологічних процесах конкретних наземних і водних біогеоценозів.

Великі міста та індустріальні центри є потужними джерелами латеральних теплових потоків, які переміщуються від ядра міста до його околиць. Часто разом з тепловими потоками переміщуються латералями полютанти, здебільшого автотранспортні викиди, а також пил. У великих містах спостерігається розсіювання теплової енергії (ентропія), яка веде до ксерофілізації атмосферного і ґрунтового повітря та алкалізації (олужнення) міських грунтів. Ці латеральні теплові та полютанто-забруднюючі потоки енергії змінюють рослинний і тваринний світ природних ландшафтів, створюють нову живу речовину міст, яка поки що слабо вивчена.

Антропогенна енергія (механічна, теплова, хімічна) може концентруватися в окремих природних екосистемах, підвищуючи їх продуктивність (агроекосистеми) або ж, при невмілому включенні цієї енергії в природний потік, призводити до їхньої деградації.

Враховуючи, що енергія - спільний знаменник і вихідна рушійна сила всіх екосистем як сконструйованих людиною, так і природних, пропонується прийняти енергію за основу для "первинної" класифікації екосистем.

За рівнем надходження енергії в екосистеми їх поділяють на групи:

• природні, якими рухає Сонце;

• природні, якими рухає Сонце та їхні природні джерела;

• урухомлені Сонцем і субсидовані людиною;

• індустріально-міські, які утримуються паливом (добутим із корисних копалин, іншими органічними або ядерними джерелами).

Контрольні запитання:

1 Яким чином здійснюється колообіг води в біосфері?

2 Яким чином здійснюється колообіг кисню в біосфері?

3 Яким чином здійснюється колообіг вуглецю в біосфері?

4 Охарактеризуйте роль живих організмів у колообігу вуглецю

5 Пояснити кругообіг хімічних елементів у біосфері

6 Пояснити функції живої речовини

7 Яким чином здійснюється колообіг енергії в біосфері?

8 Охарактеризувати вплив людини на колообіг речовин в біосфері

Література

1, 67-72,94-95 3, 09-106 9,154-165

ЛЕКЦІЯ № 11