Зелені рослини - біологи називають їх автотрофи - основа життя на планеті. З рослин починаються практично всі харчові ланцюги. Вони перетворюють енергію, що падає на них у формі сонячного світла, в енергію, запасені у вуглеводах, з яких найважливіше шестіуглеродний цукор глюкоза. Цей процес перетворення енергії називається фотосинтезом. Інші живі організми отримують доступ до цієї енергії, поїдаючи рослини. Так створюється харчова ланцюг, що підтримує планетарну екосистему.
Фотосинтез - процес синтезу органічних сполук з вуглекислого газу і води на світлі за участю фотосинтетичних пігментів (хлорофіл у рослин, бактеріохлорофіл і бактеріородопсин у бактерій). У сучасній фізіології рослин під фотосинтезом частіше розуміється фотоавтотрофної функція - сукупність процесів поглинання, перетворення та використання енергії квантів світла в різних реакціях, в тому числі перетворення вуглекислого газу в органічні речовини. Сумарне рівняння фотосинтезу виглядає так:
вода + вуглекислий газ + світло → вуглеводи + кисень
Типи фотосинтезу. аноксигенний, оксигенів.
Аноксигенний здійснюється пурпуровими і зеленими бактеріями, а також гелікобактер.
Оксигенів набагато більш широко поширений. Здійснюється рослинами, ціанобактеріями і прохлорофітамі.
Для розвитку і існування всіх живих форм на Землі необхідний вуглець. Вуглець надходить з повітря у вигляді двоокису, або діоксиду (С02), вуглецю і утворює молекулярний остов будь-якого органічного речовини. Як рослини, так і тварини використовують кисень в процесі дихання, за допомогою якого вони отримують енергію для росту і обміну речовин. Якщо кисню достатньо для біохімічних реакцій, то глюкоза, яка містить енергію органічної речовини, розщеплюється повністю з утворенням води, двоокису вуглецю і енергії. Сумарна реакція розщеплення органічної речовини (в цілому) нагадує реакцію, зворотний фотосинтезу:
02 + органічна речовина → ферменти + С02 + Н2 0 + енергія
Отже, атмосферний вуглець надходить в живі екосистеми за допомогою фотосинтезу на рівні продуцентів. В екосистемі вуглець переміщається з одного трофічного рівня на інший до тих пір, поки не повернеться в атмосферу в результаті дихання живих організмів або поки організми, в яких він міститься, вони не загинуть. У міру розкладання мертвого речовини відбувається розпад органічних сполук з утворенням різних продуктів, в тому числі С02. На Малюнок 13.4 показано вплив людини на вуглецевий цикл.
Малюнок 13.4 Кругообіг вуглецю в природі
Вуглець - основний біогенний елемент, він грає найважливішу роль в обра-зовании живого веществабіосфери. Вуглекислий газ з атмосфери в процесі фотосинтезу, здійснюваного зеленими рослинами, асимілюється і перетворюється-тається в різноманітні і численні органічні сполуки рослин. Рослинні організми, особливо нижчі мікроорга-нізми, морський фітопланктон, завдяки винятковій швидкості розмноження продукують в рік близько 1,5 × 10 11 т вуглецю у вигляді органічної маси, що відпо-ветствует 5,86 х 10 20 Дж енергії. Рослини частково поїдаються тваринами (при цьому утворюються більш-менш складні харчові ланцюги). В кінцевому рахунку органічна речовина в результаті ди-хання організмів, розкладання їх тру-пов, процесів бродіння, гниття і горе-ня перетворюється на вуглекислий газ або відкладається у вигляді сапропелю, гумусу, торфу, які, в свою чергу, дають на-чало освіти камен-ним вугілля, нафти, пальним газам.
У процесах розпаду органічних речовин, їх мінералізації величезну роль грають бактерії (наприклад, гнильні), а також багато гриби (наприклад, плісняви).
В активному круговороті вуглецю навчаючи-ствует дуже невелика частина всієї його мас-си. Велика частина вуглецю законсервована в вигляді копалин-мого палива, вапняків та інших порід (Малюнок 13.5).
Між вуглекислим газом атмосфери і водою океану існує по-ресувні рівновагу. Багато водні організми поглинають вуглекислий кальцій, створюють свої ську-лети, а потім з них утворюються пласти вапняків. З атмосфери було извле-чено і поховано кілька десятків тисяч разів більше діоксиду вуглецю, ніж в ній знахо-диться в даний момент. Атмосфера по-виконується вуглекислим газом завдяки процесам розкладання органічної речовини, карбонатів та інших мінералів, а також, все в більшій мірі, в результаті індустріальної діяль-ності людини. Потужним природним джерелом надходження діоксиду вуглецю в атмосферу є вулкани, гази яких складаються головним чином з вуглекислого га-за і парів води. Деяка частина углекис-лого газу і води, що викидаються вулканізаційних-нами, відроджується з осадових порід, зокрема вапняків, при контакті магми з ними і їх асиміляції магмою.
Малюнок 13.5 Кругообіг вуглецю
Основна маса азоту на поверх-ності Землі знаходиться у вигляді газу в атмосфері. Відомі два шляхи його по-потягу в біогенний круговорот:
1) процеси електричного (в тихому раз-ряді) і фотохімічного окислення азоту повітря, що дають різні оксиди азоту, які розчиняються в дощовій воді і вносяться таким чином, в грунту і водойми;
2) біологічна фіксація азоту бульбочкових бактерій, свободноживущими бактеріями - азотфиксаторами.
Кругообіг азоту - найважливішого газу атмосфери - носить вельми своєрідний і уповільнений характер (Малюнок 13.6). Повітря, яким ми дихаємо, приблизно на 78% складається з азоту (N). Атмосферний азот стає частиною живої матерії виключно завдяки життєдіяльності бактерій і водоростей, які мають здатність фіксувати його в органічних сполуках і нітрати, утворюючи аміак. У малих дозах атмосферне азот зв'язується з киснем в процесі грозових розрядів в атмосфері, а потім з дощами (у вигляді нітратів) випадає на поверхню грунтів. Атмосферний азот поглинається при життєдіяльності азотофиксирующими бактеріями і деякими водоростями, здатними розщеплювати молекулярний азот і використовувати його для побудови амінокислот, білків та інших органічних сполук живої речовини. На Малюнок показаний кругообіг азоту в природі. Тварини і рослини поглинають азот у вигляді нітратів. Однак більша частина азоту надходить в живі організми завдяки активності бактерій і водоростей. Аміак (NH3) виділяється в процесі розпаду живої речовини, і з нього згодом утворюються нітрити, а потім нітрати. Частина нітратів випадає з циклу, вступаючи в глибоководні опади. Деякі бактерії мають здатність розкладати нітрати, виділяючи газоподібний азот. Як бачимо, людина в процесі життєдіяльності помітно впливає на кругообіг азоту, вводячи в навколишнє середовище нові нітрати і газоподібні оксиди азоту від сільського господарства і промислових підприємств. Незважаючи на те, що в складі повітря 78% азоту, вищі рослини асимілювати його не можуть. Необхідний азот вони отримують з грунту у вигляді нітратів.
Малюнок 13.6 Кругообіг азоту в природі
Мертва органіка розкладається за схемою: мертва органіка - амміак- нітрити -нітрати (Малюнок 13.7)
Малюнок 13.7 Кругообіг азоту
1) синьо-зелені водорості;
2) свободноживущие бактерії;
3) бульбочкові бактерії;
Кругообіг азоту в теперішній час піддається сильному впливу з боку людини. Виробництва азотних добрив і їх використання призводять до надмірного накопичення нітратів.
При спалювання палива також образуютсязначітельние кількості окислів азоту.