Розглянемо тепер основні процеси, що відбуваються у біосфері з хімічної точки зору. Це розширить наші знання про біологічний кругообіг речовин. Біосфера є єдністю «живих» (тобто що містяться в організмах) і «неживих» (що перебувають поза організмами) хімічних елементів, що залучаються до сфери життя. Наземними рослинами залучено до життєвих циклів 340 млрд. т різних хімічних елементів. Це величезна кількість! Натрій, калій, кальцій, марганець, залізо, алюміній та багато інших елементів беруть участь у загальному біологічному кругообігу.

Вміст цих елементів у рослинній масі Землі зростає від високих широт до низьких та від ландшафтів із надлишком вологи до посушливих ландшафтів. У рослинності океану хімічних елементів міститься порівняно небагато – 36•106 т, тобто лише 0,001% кількості, наземної рослинності.

Цікаві підрахунки кількості мінеральних речовин, що містяться в рослинності (фітомасі) різних географічних поясів, наведено в таблиці.

Таблиця. Запаси мінеральних речовин у фітомасі

В океанах стан біосфери сильно відрізняється від її стану на континентах. На суші він залежить від географічних широт, а в океані ця залежність виражена значно слабше. Це пояснюється особливими умовами розвитку рослинності в океанах і морях. Сонячне світло у достатній для фотосинтезу кількості проникає тут лише на глибини до 100 м, а в каламутних прибережних водах – лише на 50–60 м. Тому в основній товщі води океанів і морів первинна біологічна продукція – рослинна – практично не утворюється. Вона тут лише зазнає різних перетворень та розпаду.

Велике значення в утворенні первинної біологічної продукції в океанах і морях мають течії. Вони доставляють у поверхневий шар мінеральні елементи, необхідні для утворення живої речовини та створюють певні тепловий і газовий режими. Завдяки цьому у всіх географічних зонах Світового океану створюються райони то багаті, то бідні на життя. Загалом біомаса Світового океану в 30 разів менша за біомасу суші.

Кругообіги основних хімічних елементів у біосфері

Основні хімічні елементи, з яких складається біомаса, – це кисень, вуглець і водень. На рисинку 1 показані нові підрахунки хімічного складу біосфери. Як видно з цих даних, до складу біосфери входить 106 т кисню, 78 т вуглецю та 13 т водню на 1 га суші. Всі інші елементи, у тому числі натрій, калій, кальцій, марганець та ін, містяться в біосфері у значно менших кількостях. Загальна схема кругообігу кисню в земній біосфері показана на рисунку 2.

Як видно зі схеми, атмосферний кисень споживають здебільшого для дихання різні організми. Кисень витрачається і на окислювальні процеси простих речовин, що утворюються під час розкладання складних органічних речовин мікроорганізмами. При вулканічних виверження в атмосферу потрапляє багато окису вуглецю. Він поєднується з атмосферним киснем, утворюючи вуглекислий газ.

Головним джерелом атмосферного кисню є зелені рослини. На суші вони виробляють у процесі фотосинтезу 53109 т кисню на рік, а в океанах і морях – 414109 т. Можливо, що дуже невелика кількість кисню надходить з іоносфери при розкладанні парів води під дією ультрафіолетових променів.

Нині у атмосфері міститься близько 21% кисню – 280000•109 т. Ймовірно, він утворився у процесі фотосинтезу. Підраховано, що весь кисень атмосфери міг би утворитися протягом лише 600 років і що весь він проходить через живу речовину приблизно за 2000 років – це якраз і є швидкість кругообігу кисню в біосфері в сучасну епоху.

Загальна схема кругообігу вуглецю зображена рисунку 3. Його перша ланка – поглинання зеленими рослинами при фотосинтезі атмосферного вуглецю, що міститься у вуглекислому газі.

Частина поглиненого вуглецю використовується для утворення органічних речовин. При цьому виділяється кисень. Інша частина у процесі дихання знову повертається до атмосфери.

Друга ланка в кругообігу вуглецю – це використання органічних речовин тваринами при харчуванні та часткове повернення вуглецю в атмосферу при їх диханні. Третя ланка – частина органічних речовин рослин потрапляє в ґрунт, наприклад, при листопаді, а тварин – з їхніми відходами та померлими індивідами. При цьому мертва органічна речовина розкладається мікроорганізмами і частина вуглецю знову повертається в атмосферу.

Вміст вуглецю в сучасній атмосфері дуже невеликий – лише 0,03%. Тому біологічний кругообіг вуглецю значно інтенсивніший, ніж кисню. Розраховано, що швидкість обороту вуглецю рівний 300 рокам, тобто майже в 7 разів швидший, ніж кругообіг кисню.

Однак кругообіг вуглецю дещо ускладнюється участю Світового океану. Тут також існує той самий трофічний (харчовий) ланцюг: продуценти (фітопланктон), консументи (зоопланктон, риби та інші морські тварини), редуценти (мікроорганізми). Але деяка частина вуглецю мертвої органічної речовини в океані «іде» в осадові породи: вапняки тощо – і в кругообігу не бере участі. Крім того, в морській воді містяться розчинені сполуки вуглеводів, причому глибинні шари, бідні на кисень, багатші на вуглець, ніж поверхневі.

Течії перемішують глибинні та поверхневі води, відбувається циркуляція розчиненого в морській воді вуглекислого газу, який перебуває у постійному обміні з атмосферним. На рисунку 4 зображені схеми наземного та морського кругообігу вуглецю.

Кругообіг водню в біосфері тісно пов’язаний з кругообігом води та кисню. Кругообіг інших хімічних елементів, залучених до загального біологічного кругообігу, має ряд особливостей, характерних для кожного хімічного елемента. Цікаві з біогеохімічної точки зору особливості круговороту азоту та фосфору, які відіграють важливу роль у створенні живої органічної речовини.

Біологічний кругообіг азоту, так само як і кисню з вуглецем, складний. Хоча кількість азоту у складі атмосфери дуже велика – 79%, проте поглинання рослинами (творцями первинної біологічної продукції) досить обмежене. Це насамперед через те, що азот засвоюється зеленими рослинами лише у вигляді сполук з воднем і киснем. Азот органічних сполук (переважно аміносполук) при розкладанні мікроорганізмами перетворюється на амоній й аміак. При цьому звільняється вільна енергія.

У вторинній (тварини) біологічної продукції азотистих білкових сполук міститься ще більше. При розкладанні мертвих рослинних та тваринних залишків у результаті діяльності деяких мікроорганізмів утворюються нітрати. У ґрунтах під впливом інших мікроорганізмів вони відновлюються до нітритів, окису азоту та вільного азоту. Однак у ході цього круговороту (рис. 5) частина нітратів потрапляє у ґрунтові води.

Крім цього біологічного ланцюга частина атмосферного азоту перетворюється на нітрати під впливом атмосферної електрики. Ці нітрати далі також надходять у ґрунт і включаються до загального кругообігу. Але в природний кругообіг азоту в даний час включені і аміак, одержуваний штучно, і нітрити з нітратами, які у вигляді мінеральних добрив часто застосовуються в сільському господарстві, а також у побутовій хімії. Ускладнення кругообігу азоту, пов’язаного з втручанням людини, не завжди є сприятливим для природи.

Вміст фосфору в біомасі сучасної біосфери значно менший, ніж, наприклад, кисню, вуглецю та натрію. Але фосфор дуже важливий для створення живої речовини, без нього неможливий синтез білків та інших високомолекулярних сполук вуглецю – цієї найважливішої частини живої біомаси.

Кругообіг фосфору в біосфері дуже своєрідний. З’єднання фосфору розчиняються (а отже, рухливі) лише в кислих розчинах і в безкисневих середовищах. У лужних розчинах і в кисневому середовищі фосфор сам собою нерухомий, оскільки перебуває переважно в нерозчинних сполуках з кальцієм і залізом. У природі, передусім у ґрунтах, фосфору майже завжди не вистачає. Тому внесення штучних фосфорних добрив різко підвищує біологічну продуктивність екосистем.

На рисунку 6 зображено принципову схему загального круговороту фосфору. Вона показує, що джерелом фосфору у біосфері можуть бути лише гірські породи. Кругообіг фосфору відбувається насамперед у ґрунтово-рослинному шарі біосфери завдяки життєдіяльності наземних організмів. Вигнута стрілка в нижній частині схеми показує, що частина фосфору поверхневі та ґрунтові води зносять із суші у водні басейни. Тут, у водних басейнах, під впливом організмів виникає друга арена кругообігу фосфорних сполук, частина яких іде до складу донних відкладень. З них фосфор «переходить» з часом до складу гірських порід і знову може вступити до глобального біологічного кругообігу.

Але ця принципова схема різко змінюється під впливом людини. Як бачимо, з появою промисловості, що виробляє штучні фосфати, які потрапляють потім у ґрунти, а також і у води у складі промислових та побутових стоків, кругообіг фосфору в біосфері різко посилюється. Одним з небажаних наслідків цього є так зване цвітіння водойм.

На основі: Герасимов, И.П. (1976). Биосфера Земли. Москва : Педагогика, 96.