Для геосфер, не охоплених життям, характерна стійка динамічна рівновага. В біосфері динамічна рівновага не стійка. Це означає, що біосфера розвивається в процесі діяльності, самовдосконалюється, все більш повно, активно і в більшому масштабі накопичує, трансформує енергію, ускладнює свою організацію, збагачується інформацією.

Розрізняють два типи біогенної міграції, перший з них здійснюється мікроорганізмами, а другий - багатоклітинними організмами. Величина міграції першого типу переважає над другим. Людство оволоділо міграцією третього типу, яка іде під впливом його діяльності. Крім того, розрізняють великий (геологічний) та малий (біологічний) колообіги і колообіги різних природних ресурсів (ресурсні цикли). Великий (геологічний) колообіг. Вивержені глибинні породи мантійного походження (базальти) тектонічними процесами виводяться з надр Землі в біосферу. Під впливом сонячної енергії й живої речовини вони вивітрюються, переносяться, відкладаються, перетворюючись різноманітні осадові породи, де запасається сонячна енергія (з вивержених мінералів утворюються глини, а вулканічні гази -СО, NH₃ - переходять у вугілля та нафту).

Потім за рахунок тектонічних рухів осадові породи потрапляють у зони високих тисків та температур (а також радіоактивного розпаду й гравітаційної диференціації) і перетворюються в гранітні породи з більш високим рівнем енергії, ніж у осадових порід. Кристалізовані вивержені породи знову за рахунок висхідних тектонічних рухів потрапляють у біосферу. Таким чином цикл завершується, але вже на новому рівні, бо з вихідних базальтів утворилися вивержені породи гранітного складу.

Малий біологічний колообіг (трансформація) речовин в біосфері. В кожній екосистемі колообіг речовин відбувається в результаті взаємодії автотрофів та гетеротрофів.

Вуглець, водень, кисень, азот, сірка і фосфор та біля 30 простих речовин, що необхідні для утворення живої речовини, безперервно перетворюються в органічні речовини або поглинаються в вигляді неорганічних компонентів автотрофами, а автотрофи використовуються гетеротрофами (спочатку консументами, а потім деструкторами). Таким чином, біогенні елементи безперервно циркулюють: розчиняються в континентальних водах, виносяться в моря або потрапляють в атмосферу, а між цими середовищами відбувається постійний газообмін, тобто відбувається біологічний колообіг атомів. Суть колообігу в тому, що утворення живої речовини і розклад органічної речовини - два боки єдиного процесу. В процесі біологічного колообігу атоми поглинаються живою речовиною і заряджаються енергією, а потім залишають живу речовину, віддаючи енергію в оточуюче середовище. За рахунок біогенної енергії відбувається більшість хімічних реакцій. Біологічні колообіги можуть бути різних масштабів і різної тривалості - від швидкого колообігу в ґрунті, річці, озері до тривалого, який обіймає всю біосферу.

---

Біологічний колообіг зворотний не повністю, частина речовин постійно виходить з колообігу і осідає в товщині осадових порід у вигляді органогенних вапняків, гумусу, торфу і т.п. В результаті колообігу біосфера (чи інша екосистема) не повертається в початковий стан: для біосфери характерний поступальний рух, тому символом біологічного циклу є не коло, а циклоїд (спіраль) .

Отже, колообіг речовин у природі спрямовується спільною дією як біологічних, так і геохімічних та геофізичних сил.

Вплив антропогенного фактора на колообіг. 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 лише 18 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: колообіг кисню; колообіг вуглецю; колообіг води; колообіг азоту; колообіг сірки; колообіг 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, окисновідновну 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. Окисновідновна 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 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 CQ2, 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 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.

---

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.

Організми, які входять до складу біогеоценозу, утворюють в ньому складний взаємопов’язаний комплекс. Одним із факторів, що об’єднує живе населення біогеоценозу в єдине ціле, виступають харчові зв’язки організмів. Завдяки харчовим зв’язкам у біогеоценозі здійснюється трансформація біогенних речовин, акумуляція енергії та її розподіл між видами (популяціями). Чим багатший видовий склад біогеоценозу, тим різноманітніші напрями і швидкість потоку речовин і енергії всередині нього. Канали, яким через угруповання тече постійний потік енергії, називають ланцюгами живлення. Вони прямо чи опосередковано об’єднують всі організми в єдиний комплекс. Виявити окремі харчові ланцюги в біогеоценозі можна шляхом спостереження за живленням або шляхом визначення складу харчової маси, що міститься в кишківнику та шлунку впійманих тварин. Прослідкувати ланцюг живлення можна також методом «мічених атомів».

Першою ланкою в ланцюгу живлення зазвичай є рослини. Друга ланка – рослиноїдні види, а до них відповідно мають відношення паразити та хижаки. Вони теж можуть мати своїх паразитів та хижаків.

Ланцюги живлення можуть розвиватися на основі хижацтва, паразитування або розкладання органічних сполук мертвих тіл. В зв’язку з цим бувають ланцюги виїдання (хвоя сосни – сосновий шовкопряд – велика синиця – яструб – пухоїд) і ланцюги розкладання (кормові виділення зелених рослин – бактерії, що живляться ними).

Довжина ланцюгів живлення зазвичай невелика: в окремих випадках, якщо не рахувати некрофагів і сапрофагів, у нього входить лише дві ланки (конюшина і паразитуюча на ній повитиця). В деяких випадках ланцюг живлення може містити 4 – 5 і навіть 6 – 7 ланок (включаючи над паразитів). Проте кількість ланок в ланцюзі живлення обмежується правилом піраміди чисел: загальна кількість біомаси кожної наступної ланки в ланцюзі живлення зменшується. Доведено, що лише 1/10 речовин та енергії іде на побудову біомаси кожної наступної ланки, а решта її втрачається: розсіюється на теплове випромінювання, запасається у вигляді гумусу і органічних решток, донних відкладень водойм тощо. Однак біомаса, яка випала з якоїсь ланки одного ланцюга живлення, стає основою для інших ланцюгів.

---

Правило піраміди в екології поширюється на масу, енергію та чисельність видів чи представників окремих видів. Тому виділяють відповідно піраміди біомаси, енергії та чисел.

ПРИКЛАДИ РОЗВ'ЯЗУВАННЯ ЗАДАЧ

Задача 1. Користуючись правилом екологічної піраміди визначити, яка площа (в га) біоценозу може прогодувати одну особину останньої ланки в ланцюгу живлення: - планктон-риба-тюлень (300 кг); - планктон-нехижі риби-щука (10 кг). Суха біомаса планктону з 1кв.м становить 600 г за рік. Із вказаної у дужках маси 60% становить вода.

1). Визначаємо суху масу тюленя:

300 кг --- 100%

х кг ---- 40%

х = 120 кг

2). На підставі правила екологічної піраміди визначаємо, скільки потрібно планктону:

планктон – риб – тюлень

12000кг – 1200кг – 12кг

3). Визначаємо площу даного біоценозу, якщо відомо, що суха біомаса планктону з 1 кв.м становить 600 г.

Отже, 1 кв.м ----0,6 кг

х кв.м ---- 1200 кг

х = 20000 кв.м = 2 га

Відповідь: необхідно 2 га планктону.

Задача 2. Поясніть, чому ланцюг живлення має не більше 4 – 5 ланок.

У ланцюгу живлення при перенесенні речовини і енергії від однієї ланки до наступної більша частина (близько 90%) втрачається, тому кількість ланок (видів) рідко буває більшою, ніж 4 – 5. Чим довший ланцюг, тим менша продуктивність його останньої ланки відносно початкової.

Задача 3. З якою ефективністю використовує кукурудза енергію сонячного проміння, якщо 1 га кукурудзяного поля отримує протягом дня 210 000 кДж енергії, а за добу у вигляді приросту сухої речовини накопичується 4830 кДж енергії? Як використовується решта енергії?

Ефективність використання сонячної енергії кукурудзою можна встановити з пропорції:

210 000 кДж – 100%,

4830 кДж – х,

х = = 2,3%.

Відповідь: кукурудза накопичує лише 2,3% енергії сонячного проміння, решта енергії розсіюється, забезпечує теплове випромінювання та транспірацію.

Задача 4. Маса сіна з 1 га становить 200 г, а з вико-вівсяного поля – 500 г. За правилом екологічної піраміди визначте, яка площа лугу чи вико-вівсяного поля потрібна, щоб прогодувати протягом року людину масою 52 кг, 63%з яких складає вода, якщо ланцюг живлення має вигляд: сіно – корова – людина?

По-перше, встановимо масу сухої речовини в тілі людини:

52 кг – 100%,

х – 63%,

х = = 32,76, m(сухої речовини) = 52 – 32,76 = 19,24 кг.

По-друге, складемо ланцюг живлення:

трава (сіно) – корова – людина

1924 кг – 192,4 кг – 19,24 кг

По-третє, встановимо площу лугу або поля:

S(лугу) = = 9620 м² = 0,96 га

S(поля) = = 3848 м² = 0,38 га.

Задача 5. Протягом вегетаційного періоду 1 га кукурудзяного поля поглинає 76 650 000 кДж енергії, з яких лише 2,3% акумулюється у вигляді приросту простої речовини. Яка площа такого поля потрібна, щоб прогодувати протягом року одну людину, якщо добова потреба людини в енергії 5 000 кДж?

1) Яка кількість енергії необхідна людини протягом звичайного року?

365 · 5 000 = 1 825 000 кДж.

2) Яка кількість енергії акумулювалася в сухій речовині кукурудзи?

---

Смотрите также файлы

• магнитное склонение.doc

• 9КТ.doc

• 8КТ.doc

• 7КТ.doc

• 5 КТ.doc