Коротка історія розвитку біології. Місце і роль біології за умов раціонального природокористування. Рівні організації живої матерії. Основні властивості живого. Біологічний кругообіг

Біологічний кругообіг– це циркуляція по колу речовин між грунтом, рослинами, тваринами і мікроорганізмами, в основі якої є поглинання мінеральних речовин, включення їх до складу рослинних організмів, від них, через трофічні ланцюги, до гетеротрофних організмів і далі, за участі редуцентів повернення знову в атмосферу або грунт.

Рушійною силою саморозвитку, збалансованості й адаптивної саморегуляції кругообігу хімічних елементів і перетворення енергії в біосфері є сонячна радіація, яка засвоюється рослинами в унікальному процесі–фотосинтезі. Єдиною біогенеративною ланкою біологічного кургообігу, первинним виробником органічної речовини та зв'язаної в ній сонячної енергії, є фотосинтез рослин, а біодеструктивною– сума всіх катаболічних процесів різних форм життя на Землі.

 

Фотосинтетичне перетворення енергії сонячного світла на хімічну започаткувало новий етап в історії життя та всіх геохімічних процесів на земній кулі. Збагачення атмосфери молекулярним киснем різко вплинуло на еволюційний процес, і значно прискорило появу аеробних організмів. Поява рослинного царства як в океані, так і на суші, створила неосяжний зелений екран планети, який і став потужним біотрансформатором потоків енергії, речовини та інформації в біосфері. Як результат, на Землі неухильно зростали запаси живої та мертвої органіки, а атмосфера планети поступово збагачувалася киснем за одночасного зниження концентрації вуглекислого газу. Це зумовило широкий розвиток гетеротрофів, здатних використовувати лише готову органічну речовину, тобто ту, яка первинно створювалася фотоавтотрофами.

Поступово кількість первинно створюваної фототрофами органіки на Землі зрівноважилася з витратами її в процесі дихання, бродіння, різноманітних окиснювальних процесів, і на планеті встановився стабілізований, врівноважений кругообіг вуглецю та життя.

Завдяки рослинності Землі сформувалися і продовжують формуватися ґрунти, що збагачує їх органікою та гумусом– основою родючості. Ґрунтовий гумус – найістотніший результат ґрунтоутворювального процесу. Разом з тим він є однією з останніх ланок харчових ланцюгів, від фотосинтезованої органічної речовини до кінцевих продуктів її мінералізації: води, вуглекислого газу, аміаку, нітратів, оксидів заліза, сірководню, кремнію, карбонатів, фосфатів, сульфатів. Ґрунтовий покрив і Світовий океан є планетними збирачами різноманітних відходів. У ґрунті та океані завершується руйнування багатьох органічних і органо-мінеральних сполук, які є своєрідними очисниками планети від багатьох забруднювачів. Частина речовини на певний час може вибувати із кругообігу (відкладатись на дні водойм, випадати в глибини земної кори), проте через деякий час тектонічні та геологічні процеси знову залучають її у кругообіг.

Екосистеми виконують у біосфері дві найважливіші функції, які забезпечують саме існування життя. Перша з них – неперервний процес біологічного накопичення, трансформації та перерозподілу енергії, що надходить від Сонця на Землю завдяки фотосинтезу. Друга – підтримування на планеті загальносвітового кругообігу хімічних елементів, зокрема біофілів – вуглецю, кисню, водню, азоту, фосфору, сірки, а також кальцію, магнію, калію, міді, цинку, кобальту, йоду та інших.

Ці функції здійснюються через фотосинтетичну систему створення рослинної органічної речовини, яку використовують травоїдні організми. Зообіомасу останніх використовують різноманітні ланки трофічних ланцюгів

- паразити, хижаки, некрофаги, ґрунтова мікрофлора та мікроорганізми.

Основний шлях кругообігу вуглецю–з оксиду вуглецю (СО2) атмосфери в живу речовину, і знову в оксид вуглецю.

Швидкість кругообігу вуглецю в його біогеохімічному циклі значна, і наближається до руху енергії через екосистему. Пояснюється це тим, що органічна речовина майже на 50% складається з вуглецю. Відновлена форма вуглецю, у якій він поширений в усіх органічних сполуках, є основним носієм енергії у трофічних ланцюгах.

Щорічно близько 10% вуглекислого газу атмосфери, за рахунок фотосинтезу, засвоюється рослинами. Без розкладу органічної речовини гетеротрофними організмами, без процесів постійного його поповнення, зокрема за рахунок дихання, його запаси були б вичерпані рослинами вже за 20 років.

Виділення кисню, в процесі фотосинтезу, сформували, впродовж майже 3 млрд років, рівновагу в атмосфері щодо співвідношення між вуглекислим газом і киснем. Кисневий цикл у природі найтісніше взаємопов'язаний з вуглецевим. Збагачення атмосфери на кисень дало змогу еволюційно розвинути оксидативний дихальний метаболізм як механізм контролю за окисненням відновлених у ході фотосинтезу сполук, що супроводжується вивільненням енергіі. Озоновий шар, який захищає розвиток життя на Землі, є продуктом фотосинтезу зелених рослин.

Фіксований в біомасі вуглець, у значних кількостях використовується тваринними організмами, які, в свою чергу, під час дихання виділяють його у вигляді С02. Рештки відмерлих організмів розкладаються мікроорганізмами, внаслідок чого вуглець мертвої органічної речовини окиснюється до С02 і знову потрапляє в атмосферу (рис. 2).

Світовий океан, із гігантськими запасами карбонатів, виконує буферну функцію і є стабілізуючим фактором щодо зміни вмісту вуглекислого газу в атмосфері. Між сушею та Світовим океаном відбувається постійна міграція вуглецю. Вуглекислий газ атмосфери і гідросфери обмінюється та оновлюється живими організмами приблизно за 395 років.

Не менш важливим виявилося також залучення в кругообіг такого елемента-органогена як азот. Загальна кількість азоту в атмосфері складає 3,8 • 1015 т, тоді як у водах Світового океану – 2, 0 • 10'3 т.

Величезна кількість вільного (N2) азоту не може безпосередньо використовуватися рослиною. Цей азот здатні асимілювати лише так звані азотавтотрофні організми в процесі біологічної азотфіксації, що є найголовнішою в його кругообігу. Азотфіксація здійснюється як вільноживучими азотфіксуючими бактеріями, наприклад гетеротрофами, фотоавтотрофами, ціанобактеріями, так і симбіотичними азотфіксаторами, наприклад бульбочкові бактерії, які живуть в симбіозі з вищими рослинами. В біосфері річна фіксація азоту становить 175•106 т. В основному це біологічна фіксація, і лише незначна кількість його фіксується в результаті електричних розрядів і фотохімічних процесів.

Усі інші організми є азотгетеротрофними, тобто повністю залежать від наявності азотистих сполук, у більшості білкової природи. Азотгетеротрофні організми впливають на цикл азоту лише після асиміляції його в склад своїх клітин. Якщо у рослину азот надходить у вигляді NO3, він відновлюється до амонію, оскільки в клітинах він перебуває в максимально відновленій амонійній формі.

У результаті життєдіяльності та відмирання організмів, у ґрунт і воду потрапляє багато азотвмісних органічних речовин, які мінералізуються і можуть знову використовуватися рослинами та мікроорганізмами. Органічний азот мінералізується шляхом амоніфікації та нітрифікації.

Амоніфікація–розклад мікроорганізмами органічних сполук (білків, сечовини) з утворенням вільного аміаку.

Це один із основних етапів кругообігу азоту в природі, який збагачує грунт доступними для засвоєння рослинами формами азоту.

Утворений в процесі амоніфікації аміак, як і той, що синтезується під час азотфіксації, частково окиснюється нітрифікуючими бактеріями до нітратів і нітритів у процесі нітрифікації.

Нітрифікація–це мікробіологічний процес перетворення в грунті та воді відновлених сполук азоту з органічної речовини в окиснені неорганічні, тобто амонійних солей і аміаку в нітрати.

Такі вкрай екзергонічні реакції в дві стадії здійснюють бактерії-нітрифікатори. Вони використовують енергію окиснення амонію або нітритів для асиміляції вуглекислоти та інших ендергонічних процесів. Обидва роди бактерій живуть в добре аерованих ґрунтах.

Отже, фотоавтотрофні рослини, гетеротрофні організми та нітрифікуючі бактерії формують цикл азоту. Амоніфікація та нітрифікація не завершують цикл азоту, оскільки вони поєднані ще з однією важливою ланкою кругообігу – денітрифікацією.

Денітрифікація–це зворотний процес відновлення мікроорганізмами-денітрифікаторами окиснених сполук азоту (нітритів і нітратів грунту) до молекулярного азоту.

Денітрифікуючі бактерії за відсутності кисню використовують нітрити та нітрати як кінцеві акцептори електронів (анаеробне нітратне дихання). В процесі денітрифікації зв'язаний азот видаляється з грунту і води із вивільненням газоподібного Н2 в атмосферу. Денітрифікація замикає цикл азоту в біосфері (рис. 3).

Цикл азоту, синхронізований та збалансований з кругообігом вуглецю, став одним із найважливіших факторів формування на Землі безпечного екологічного середовища.

Рушійною силою функціонування всіх живих систем є енергія, що характеризує їхню здатність виконувати роботу. Енергія є загальною мірою руху і взаємодії усіх видів матерії. Потік енергії відбувається за законами термодинаміки.

Майже всі форми життя на Землі одержують необхідну їм енергію прямо або опосередковано від Сонця.

Живі системи рослинних організмів активно залучаються до потоку енергії на планеті. Найскладніший шлях сонячної енергії – крізь живу речовину, де ця енергія використовується в різноманітних реакціях метаболізму. Зелені автотрофні рослини, за допомогою сонячних променів, у процесі фотосинтезу перетворюють прості неорганічні сполуки – вуглекислий газ, воду і мінеральні солі на складні органічні сполуки своїх клітин і тканин.

Вільна енергія (тобто та, яка може бути використана на корисну роботу) запасається в хімічних зв'язках молекул. У простих молекулах частка вільної енергії мінімальна. В складних органічних молекулах вуглеводів, білків і жирів вона на декілька порядків більша.

Кванти світла, що постійно надходять від Сонця і уловлюються рослинним організмом, єдине природне джерело негативної ентропії, доступне біосфері. Та рано чи пізно, через будь-які перетворення, сонячна енергія, що досягла поверхні Землі, знову повертається в світовий простір у вигляді тепла.

Зелена рослина–основна ланка, яка поєднує все живе із сонячною енергією. Рослинний покрив зв'язує фотосинтетично активну радіацію сонячної енергії, стабілізує та перерозподіляє її серед різноманітних видів живих організмів, забезпечує синтез вуглеводів, білків та інших органічних сполук.

Рослинність планети забезпечує людство технічною сировиною і продуктами харчування, підтримує екологічну рівновагу на планеті, зв'язуючи вуглекислий газ і продукуючи кисень. Оскільки немає ніяких підстав для того, щоб в осяжному майбутньому припинився потік сонячної радіації на Землю, а в кругообіг вуглецю і життя весь час зворотно залучаються елементи-органогени, то можна вважати, що життя на Землі, а отже, й існування людини може бути вічним.

 

1. Коротка історія розвитку біології.

2. Основні положення біологічної науки.

3. Досягнення в біології останніх часів.

4. Рівні організації живої матерії.

5. Основні властивості живого.

6. Біологічний кругообіг.