Колообіг речовин та енергії в природі

Колообіг речовин і елементів

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. У колообігу Карбону беруть участь усі живі організми на планеті

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. 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.

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. 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. 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 нітрифікаціїз 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 N2 O та N2.

ДЯКУЮ ЗА УВАГУ !!!