МЕДИЧНА БІОЛОГІЯ
Розділ 4
БІОСФЕРА І ЛЮДИНА
4.2. Кругообіг речовин в біосфері
Кругообігом речовин називають постійний обмін речовин між оболонками земної кулі. З появою на планеті живих організмів шляхи переміщення речовин, що визначалися дією абіотичних чинників, суттєво змінилися. Переміщення окремих хімічних елементів залежить передусім від дії фізичних чинників, таких як різниця температур і освітлення, перепади тиску тощо. Вони зумовлюють геологічний кругообіг. Проте поява живих організмів змінила напрямки міграції
Розрізняють малий кругообіг, котрий стабілізує біосферу впродовж часу існування окремих екосистем, і великий кругообіг, який здійснюється впродовж кількох геологічних періодів і при цьому торкається глибинних шарів твердої оболонки
Земна кора в поверхневих шарах містить переважно сполуки алюмінію і кремнію, а в хімічному складі живих організмів переважають вуглець, кисень, водень і азот. Ці та деякі інші хімічні елементи називають біогенними елементами. Біохімічна активність живих організмів призводить до специфічного переміщення таких елементів, котре набуває циклічних форм. Впродовж свого існування рослина чи тварина поглинає певну кількість поживних речовин і перетворює їх для власних потреб. Саме якісні відмінності в хімічному складі між неживою природою і живими організмами спричинили до глобального перерозподілу хімічних елементів у земній корі. Кругообіг речовин у біосфері організований у формі біогеохімічних циклів.
Біогеохімічні цикли – це сукупність циклічних процесів обміну речовин та енергії між окремими компонентами біосфери, зумовлена життєдіяльністю організмів. Цей термін введений В. І. Вернадським, який розробив теоретичні основи вчення про біогенну міграцію хімічних елементів. Сукупність біогеохімічних циклів складає динамічну основу існування життя на Землі. Рушійною силою біогеохімічних циклів є сонячна енергія, фотосинтез і метаболізм. Найважливішою властивістю даних циклів є їхня відкритість (незамкненість). Це означає, що не вся речовина, акумульована в ході обмінних процесів, повертається в неорганічний світ у попередньому місці й формі. Певна частка речовини переходить в інші цикли завдяки існуванню абіотично зумовлених переміщень (течія води, пилові бурі, ерозія грунтів, змив, міграція тварин тощо). Речовина, яка виходить за межі біогеохімічних циклів, впродовж історично значущих проміжків часу зумовила накопичення в атмосфері азоту й кисню, різноманітних корисних копалин у земній корі (кам’яне вугілля, нафта).
Впродовж мільйонів років на планеті формувалися стабільні шляхи переміщення речовини та енергії. В основі їх лежать стабільність положення планети відносно Сонця і тектонічні зміни в земній корі. Вчені вважають, що від моменту появи життя еволюція живих організмів відбувалася паралельно з еволюцією біосфери, і виділяють такі головні етани її розвитку: 1) початковий, пов’язаний з появою і функціонуванням прокаріотів (3,8-1,9 млрд. років тому); 2) становлення евкаріотів, пов’язаний з діяльністю одноклітинних ядерних організмів (1,9-0,9 млрд. років тому); 3) становлення багатоклітинних евкаріотів (900-600 млн. років тому); 4) становлення тварин з мінеральним скелетом (600-400 млн. років тому); 5) завоювання живими організмами суші і виникнення грунтів (400-130 млн. років тому); 6) поява квіткових рослин та еволюція ссавців (130-2 млн. років тому); 7) сучасний, пов’язаний з появою людини і розвитком людства (від 2 млн. років тому).
Кругообіг води. Більша частка води, що проходить через екосистеми, припадає на транспірацію, випаровування і атмосферні опади. На кожен грам первинної продукції наземних угруповань випаровується приблизно 500 г води. Якщо брати до уваги, що річна первинна продукція наземних місцезростань становить приблизно 1,1 х 1017 г сухої речовини, то в ході транспірації наземною рослинністю повинно випаруватися близько 55 х 1018 г води. Сумарне випаровування з поверхні Землі становить за рік приблизно 378 х 1018 г. Для того, щоб забезпечити таке переміщення на планеті, витрачається п’ята частина сонячної енергії, яка досягає поверхні Землі. Якщо припустити, що біосфера існує 3-4 млрд. років, то виходить, що вся вода Світового океану пройшла повний біологічний цикл не менш як 300 разів.
Кругообіг кисню. Загальна маса кисню в атмосфері – 1,1 х 1021 г, але у зв’язаному вигляді його значно більше в складі літо – та гідросфери. У ході фотосинтезу зелені рослини щороку вивільняють біля 2,7 х 1014 т кисню, що дорівнює 1/2500 його вмісту в атмосфері. Вважають, що близько 4,5 млрд. років тому атмосфера Землі мала склад, аналогічний тому, який мають вулканічні викиди. Це, в основному, водяна пара, двоокис вуглецю і двоокис азоту. Після затвердіння земної кори дощі поступово вимили з атмосфери вуглекислий газ, а кисень з’явився пізніше як результат фотосинтезу зелених рослин. Певна частка кисню перетворилася в озон під дією сонячного світла. Весь вільний кисень атмосфери пройшов біологічний кругообіг за час існування біосфери не менш як 1 млн. разів.
Кругообіг вуглецю. В ньому беруть участь лише органічні сполуки і двоокис вуглецю. Щороку рослинами асимілюється близько 105 х 1012 т вуглецю, а в ході дихання повертається у навколишнє середовище майже третина цієї кількості. Якщо порівняти вміст вуглецю в оболонках Землі з інтенсивністю його обміну живими організмами, то виявиться, що тривалість кругообігу цієї речовини становить 300-400 років. Унаслідок спалювання людиною нафти і кам’яного вугілля кількість СО2 в атмосфері щороку зростає. Вчені ще не мають одностайної думки про те, як цей процес позначиться на загальному стані біосфери. Найпоширенішою є гіпотеза глобального потепління, яке може спричинити зменшення маси полярного льоду, через що підвищиться загальний рівень Світового океану і насиченість атмосфери вологою. Передбачають також пом’якшення клімату в полярних регіонах, посилення вітру та зміни у проявах деяких інших кліматичних явищ. Безумовно, якщо такі події відбуватимуться швидкими темпами, то медицина постане перед серйозними проблемами зміни підходів до діагностики та лікування багатьох хвороб.
Двоокис вуглецю не лише поглинається під час фотосинтезу, але й розчиняється у воді. Одержувані в ряді хімічних перетворень карбонати (переважно важкорозчинні), поступово накопичуються в осадових породах і видаляються з кругообігу.
До тієї кількості, СО2, яка виділяється організмами під час дихання, щороку додається ще 5-7 % від спалювання різних видів палива. Оцінки приросту кількості СО2 в повітрі вказують на те, що парниковий ефект може стати суб’єктивно відчутним вже впродовж XXI ст. Сутність парникового ефекту полягає в тому, що двоокис вуглецю утримує тепло земної атмосфери. Враховуючи те, що за останні 100 років кількість СО2 в атмосфері зросла на 1012 %, вчені прогнозують поступове підвищення середніх річних температур на планеті. Ймовірність такого явища підсилюється тим, що частка двоокису вуглецю постійно зростає через збільшення населення планети і розвиток промисловості. Одним з найпомітніших ефектів потепління може бути підвищення рівня води у Світовому океані внаслідок танення льодовиків. Під загрозою затоплення можуть опинитися величезні масиви суші, густо заселеної людьми вздовж берегів морів.
Кругообіг азоту. В атмосфері міститься близько 385 х 1016 т молекулярного азоту. Він необхідний для синтезу амінокислот, але абсолютна більшість організмів не здатна його асимілювати в такій формі. Складний шлях перетворення азоту в доступну для засвоєння форму проходить у грунті за допомогою мікроорганізмів – азотфіксуючих і нітрифікуючих бактерій. У живих системах міститеся лише 3 % всього доступного азоту Землі, а решта – в детриті.
Кругообіг інших біогенних макро – та мікроелементів спричинює передусім ерозія материнських порід та діяльність редуцентів, під впливом якої сполуки цих елементів переходять у форму, придатну для всмоктування кореневою системою рослин або мікоризою. Далі вони накопичуються в первинній продукції і зрештою потрапляють в організм людини. Наприклад, нестача в харчових продуктах заліза спричинює анемію. Нестача марганцю може викликати порушення координації рухів, ускладнення пологів. Найбільше цього елемента накопичується в зеленій масі буряків. Мідь входить до складу багатьох ферментів людини і накопичується в печінці, мозку, нирках, серці. Нестача міді спричинює порушення розвитку елементів скелету. Молібден також входить до складу деяких ферментів, і його нестача корелює з розвитком кам’яної хвороби нирок. Цинк відомий як активатор багатьох ферментів, надлишок цинку відкладається у волоссі та нігтях. Нестача фтору призводить до порушення розвитку кісток, зокрема зубної емалі. Разом з тим надлишок фтору викликає негативні реакції з боку організму. Такі мікроелементи, як кадмій, ртуть, нікель, свинець та інші, здатні накопичуватися в організмі людини і можуть спричинити важкі розлади обміну речовин.
Біоми. Сукупність тварин і рослин, які перебувають в однакових умовах адаптації, мешкають в одній природній зоні і характеризуються певним типом структури своїх угруповань називають біомом. В сучасній біосфері можна виділити декілька типів біомів, кожен з яких позначається участю певних видів тварин і рослин, характерних для однієї природної кліматичної зони (рис. 4.2).
Рис. 4.2. Основні типи біомів планети: 1 – льодовики і високогір’я; 2 – тундра; 3 – тайга; 4 – лісовий помірних широт; 5 – степовий; б – чагарники і рідколісся;
7 – пустельний; 8 – савани; 9 – гірський тропічний; 10 – тропічний; 11 – морський.
Водні біоми (морські та прісних водойм). При незначній площі, яку займають прісноводні екосистеми, вони є досить різноманітними за видовим складом, особливо завдяки значній участі квіткових рослин, чого немає у морських екосистем. Останні характеризуються тим, що біомаса гетеротрофів у них переважає над біомасою автотрофів за рахунок швидкої зміни поколінь у видів фітопланктону. Таким чином, у морських екосистемах автотрофи утворюють порівняно малу біомасу при дуже високій біопродуктивності (для порівняння – автотрофи наземних екосистем утворюють досить значну біомасу при відносно невисокій біопродуктивності).
Біоми узбережжя морів, де складаються неповторні умови середовища завдяки поєднанню різних фізичних властивостей води і поверхні суші, являють собою окремий біом. Залежно від того, наскільки стрімко берег сходить до водного дзеркала, площа, зайнята цим біомом, може великою мірою змінюватися. Якщо узбережжя скелясте, то це буде лише літораль (узбережна зона морського дна, яка осушується під час відпливу). Якщо ж берег відлогий, то формується смуга, де співіснують характерні види рослин і тварин. Своєрідні біоценози виникають на засолених маршах, які утворюються у випадках, коли берег підтоплюється солоною водою. Особливе місце займають лимани, їхня біота також входить у цей біом. В Україні широко відомі своїми лікувальними властивостями грязі Куяльницького лиману. Крім цього лиману, бальнеологічне значення мають Тілігульський, Хаджибейський та інші лимани.
Біоми приполярних регіонів, льодовики та високогір’я. Біомаса їх буває лише адвентивною (занесеною з інших місць). Живі організми, що можуть періодично тут з’являтися, походять з біомів інших типів. Так, поблизу Північного полюса інколи з’являються білі ведмеді, на високогірних льодовиках часом знаходять метеликів, які випадково сюди потрапили.
Тропічний біом (вологі тропіки). Цей біом займає лише 5 % території планети, даючи при цьому біля 28 % продукції наземних екосистем. Цьому біомові властива найвища біопродуктивність, найбільша видова різноманітність і найскладніша внутрішня структура. Дуже чітко простежується ярусність тропічних біомів. Види, що населяють верхні яруси, ніколи не спускаються на грунт, а в нижні яруси ніколи не проходять сонячні промені. У цьому біомі закономірно формуються численні популяції з невеликою кількістю членів. Географічно вологі тропіки займають приекваторіальне положення. Тут відсутня зміна пір року, а біоритми організмів частіше пов’язані зі зміною вологих і сухих періодів. Основні лімітуючі чинники цього біому – світло і грунтові ресурси (рис. 4.3).
Рис. 4.3. Вологі тропіки.
Гірський тропічний біом різко контрастує за біомасою з біомом вологих тропіків. Відносна бідність гірського тропічного біому повязана з тим, що шар грунту тут дуже тонкий, а процеси грунтоутворення гальмуються високою швидкістю використання детриту. Лімітуючими чинниками біому є температура і грунтові ресурси.
Пустельний (пустелею вважають територію, на якій випадає не більше 20 см опадів на рік). Цей тип біомів має найнижчу загальну біомасу і відзначається найбільшою амплітудою коливання приросту біомаси. Це стає помітно у випадках, коли в пустелях випадають дощі. В ці короткі проміжки часу окремі рослини і тварини встигають пройти повний цикл розвитку, тим часом як впродовж тривалих безводних періодів приросту біомаси немає. В пустелях значно більша біомаса зосереджена в грунті, ніж на його поверхні, що також пояснюється строгим водним режимом пустель (це єдиний лімітуючий чинник даного біому). Наприклад, у пустелі Калахарі дощі не випадають роками, а місцеві рослини і тварини пристосувалися використовувати вологу, яка конденсується вранці під час добового перепаду температури. Найсухішим місцем на планеті є Долина смерті, що в Каліфорнії (США). Дощі там практично не випадають, але живі організми існують (рис. 4.4).
Рис. 4.4. Ландшафт пустельного біому.
Чагарники і рідколісся. Даний біом формується в умовах різких сезонних змін зволоженості за незначних перепадів температур. Для цього біому характерний найвищий приріст біомаси гетеротрофів на одиницю біомаси автотрофів, що досягається передусім за рахунок чіткої зміни дощового періоду та засухи. Сюди відносяться африканська савана, американський чапараль, середземноморський макі (маквіс). В Україні цей біом фрагментарно представлений у Криму та степовій зоні.
Ліси помірних зон. Біом формується в умовах теплого вологого літа і сніжної зими. Основу біому складають листопадні ліси. Тут біомаса автотрофів набагато перевищує біомасу гетеротрофів, а до складу піраміди детриту входить більше видів, ніж до складу піраміди чистої первинної продукції. В Україні цей біом широко зустрічається у лісовій та лісостеповій зонах, у Карпатах і гірському Криму (рис. 4.5).
Рис. 4.5. Листопадний ліс помірної зони.
Степи (прерії). Біом цього типу вузькою смугою простягається вздовж Євразійського континенту від Центральної Європи до Монголії (степи). Формується біом в умовах засушливого літа і холодної зими. У Північній Америці до нього належить прерія, що свого часу займала величезну територію сучасних США. У південній півкулі степовий біом представлений спорадично на території Аргентини, ряду африканських країн, на півдні Австралії та в Новій Зеландії. Біом цього типу найбільше потерпів від антропогенного впливу. Умови функціонування біоценозів степових біомів такі, що в результаті утворюються родючі грунти. Саме завдяки цьому степи давно розорані в усіх доступних регіонах планети, а природні залишки їх ретельно охороняються в нечисленних заповідниках (рис. 4.6).
Рис. 4.6. Ландшафт степового біому.
Гірський біом помірних зон. Цей біом відзначається різким перепадом добових температур, невеликою кількістю фізіологічно доступної рослинам води, наявністю певної частини адвентивної біомаси. Автотрофний компонент біому включає гірські луки і хвойне криволісся. В Україні зустрічається тільки у високогір’ї Карпат.
Хвойні ліси помірних зон (тайга). Для цього біому характерне абсолютне переважання біомаси автотрофів над біомасою гетеротрофів. Це один з найстабільніших за видовим складом біомів, йому властиве оптимальне і найбільш стале забезпечення водою. Наприклад, у Сибіру тисячі квадратних кілометрів, зайнятих біомом цього типу, вкриті фітоценозами дуже близького видового складу. В Україні такого біому немає.
Тундра. Займає приполярні регіони північної і південної півкуль в умовах екстремального коливання тривалості дня і ночі, перепадів температур впродовж року. Для біомів цього типу характерний найнижчий приріст біомаси і дуже низька видова різноманітність. Для тварин, які постійно водяться в тундрі, характерна здатність до анабіозу. В тундру на період гніздування мігрує величезна кількість птахів. Це викликано значною тривалістю світлового дня влітку, величезними харчовими ресурсами і незначною кількістю природних ворогів (рис. 4.7).
Рис. 4.7. Тундра.
(1 votes, average: 5,00 out of 5)