Колообіг речовин у біосфері

Здійснення функцій живої речовини пов'язані з міграцією атомів і молекул у процесі колообігу речовин у біосфері, тобто біогеохімічних циклах. В ній постійно триває колообіг води і всіх хімічних елементів, які входять до складу живих організмів.

Біогеохімічний цикл води. Вода є найпоширенішою хімічною сполукою в біосфері. Сукупні запаси води нашої планети, яка може перебувати у різних фізичних станах (рідкому, газоподібному, твердому) оцінюються в 1, 5 млрд. км³. Водяна пара надходить в атмосферу в результаті випаровування з поверхні водойм, транспірації рослин, дихання. З атмосфери вода випадає у вигляді дощу або снігу, що може відбуватись або поблизу місця випаровування, або за тисячі кілометрів від нього. Тривалість перебування молекул води в атмосфері становить від кількох годин до тижнів. У морях та океанах запас води поповнюється завдяки стокам річок, які в них впадають, та опадів. Морські течії переносять теплу або холодну воду на значні відстані, впливаючи на клімат певних ділянок земної поверхні; вода переміщується і завдяки течіям річок. З нею пов'язані такі геологічні явища, як вимивання речовин, їх перенесення та відкладання.

Воду поглинають живі організми, і вона включається в їхній обмін речовин: реакції обміну, біосинтезу, гідролізу, фотолізу (при фотосинтезі) тощо. Живі організми виділяють воду в навколишнє середовище з продуктами обміну речовин, у результаті дихання, випаровування.

Біогеохімічний цикл Оксигену. Поглинаючи молекулярний кисень (О₂) під час дихання, живі організми забезпечують свої енергетичні потреби. Атмосферний та розчинений у воді кисень можуть окиснювати органічні сполуки, а також неорганічні сполуки оболонок Землі. Частина молекулярного кисню під дією ультрафіолетових сонячних променів і електричних розрядів перетворюється на озон (О₃), з якого сформувався озоновий екран, що захищає поверхню Землі від шкідливих короткохвильових космічних випромінювань. Уміст кисню в нижніх шарах атмосфери становить близько 21% і знижується зі збільшенням висоти.

Біогеохімічний цикл Карбону. Карбон входить до складу всіх органічних сполук – основи складу та біогеохімічних процесів живих організмів. Автотрофи здатні фіксувати вуглекислий газ (СО₂) і синтезувати різноманітні органічні речовини, використовуючи для цього світлову енергію (фототрофи ) або енергію хімічних реакцій (хемотрофи). Ці речовини в подальшому передаються по ланцюгах живлення гетеротрофам.

Карбон накопичується в живих організмах у вигляді синтезованих органічних сполук і карбонатів, а поза ними - в органічних речовинах ґрунту, вуглекислому газі та різноманітних осадових породах (мармурі, вапняку, крейді). На певний час Карбон, який міститься в цих сполуках, виводиться з біогенного колообігу, але згодом, унаслідок життєдіяльності живих організмів (дихання, виділення), біогенного розкладу мертвої органіки (наприклад, мінералізація, бродіння), хімічних перетворень осадових порід (вивітрювання, розчинення), він знову включається в біогеохімічні процеси.

На колообіг Карбону значно впливає господарська діяльність людини. Розвиток промисловості, спалювання значних запасів енергоносіїв зумовлює збільшення концентрації вуглекислого газу в атмосфері. У свою чергу масове вирубування лісів призводить до того, що рослинність Землі зв'язує меншу кількість атмосферного вуглекислого газу. Все це порушує рівновагу в обміні сполуками Карбону між живою речовиною біосфери та оболонками Землі.

Біогеохімічний цикл Нітрогену. Вміст вільного газоподібного азоту (N2) в атмосфері становить близько 79%. З атмосфери його частина надходить у воду та ґрунт у вигляді Нітроген(ІV) оксиду (NO2) та амоніаку (NH3), які утворюються під впливом космічних променів, грозових розрядів та ін. Проте основна частина Нітрогену потрапляє у ґрунт і воду завдяки фіксації атмосферного азоту прокаріотами (азотфіксуючі бактерії, деякі ціанобактерії). Нітроген у складі хімічних речовин, які можуть бути засвоєні живими організмами, має назву фіксованого.

Фіксований азот можуть засвоювати з ґрунту зелені рослини безпосередньо або завдяки симбіозу з бульбочковими азотфіксуючими бактеріями чи ціанобактеріями. Зі сполук Нітрогену рослини синтезують амінокислоти, з яких, у свою чергу, складаються білки, нуклеїнові кислоти. Далі нітрогеновмісні органічні речовини передаються по ланцюгах живлення. Внаслідок процесів дисиміляції складні сполуки Нітрогену в організмах розкладаються до простих (амоніак, сечовина, сечова кислота, гуанін) та виділяються в навколишнє середовище з видихуваними газами, потом, сечею, екскрементами та ін. Складні органічні сполуки Нітрогену (білки, нуклеїнові кислоти) надходять у довкілля із залишками організмів та розкладаються редуцентами, які здійснюють денітрифікацію - процес відновлення нітритів (солі нітратної кислоти HNO₂) або нітратів (солі нітратної кислоти HNO₃) до газоподібних сполук — молекулярного азоту (N₂) або Нітроген(ІV) оксиду (NO₂). Інші мікроорганізми забезпечують процеси нітрифікації - реакції, завдяки яким йони амонію (NH₄⁺) окиснюються до нітритів (NО₂^-), а останні - до нітратів (NО₃^-).