Биосферадағы зат айналымы және энергия ағысы
Биосфераның ең басты қызметі химиялық элементтердің айналымы болып табылады. Жаһандық биотикалық айналым планетаны жайлаған барлық ағзалардың қатысуымен жүреді. Ол айналым заттар, топырақ, атмосфера, гидросфера және тірі организмдер арасында жүрді. Биотикалық айналым нәтижесінде қажетті химиялық элементтер қоры шектеулі болса да, өмір сүру және даму мүмкіндігін ұзартуға болады.
Атмосферада, литосферада, гидросферада жүретін үдерістер сияқты заттар бірнеше рет айналымға түседі, әрі биотикалық алмасуды кіші (биогеоценотикалық) және үлкен айналымы (биосфералық) деп бөлуге болады.
Үлкен биосфералық алмасу шеңбері — бұл дүркін-дүркін үздіксіз жаңаланған биосфераның экологиялық жүйесіне кіретін заттардың, энергия мен ақпараттың уақыт бойынша және кеңістікте біркелкі таралмай, тоқтамайтын ырғақты планетарлық үдерісі. Үлкен биосфералық алмасу шеңбері су мен атмосфера айналымында байқалады.
Кіші биотикалық айналым үлкен айналым негізінде туындайды және ол топырақ, өсімдік, жануар мен микроағзалар арасында жүреді. Екі айналым бір-бірімен байланысты және олар тұтасқан бір үдеріс тәрізді. Өз шеңберіне тірі ағзалар қатыспаған көптегең заттарды тарта отырып биотикалық айналым ұдайы тірі заттардың өнуін қамтамасыз етіп, әрі биосфера келбетіне белсенді әсер етеді. Заттар айналымы негізіне биосферада болатын қоректенудің екі түрі жатады: аутотрофты және гетеротрофты.
Аутотрофтар өз тіршілігі үшін қажет химиялық заттарды қоршаған ортадан алады және Күн энергиясының көмегімен оларды органикалық заттарға айналдырады.
Гетеротрофтар органикалық заттарды көмір қышқылы, су және минералды тұздарға дейін ыдыратады, яғни оларды қоршаған ортаға қайтарады. Сөйтіп эволюциялық үдерісте тіршілік үшін қажет заттар айналымын қамтамасыз етеді. Бұнда Күн сәулесінің энергиясын тірі ағза басқа энергия формалары -химиялық, механикалық, жылу энергиясына айналдырады. Күн энергиясының белгілі бір бөлігі жылу түрінде тарайды. Барлық тіршілік иелерінің қызметі мен өзара қатынастары энергия ағысы мен заттар айналымымен бір бағытта жүреді.
Бейорганикалық заттарды пайдаланған жасыл өсімдіктер Күн энергиясының көмегімен органикалық заттар түзеді, олар басқа тіршілік иелерімен (гетеротрофтар мен деструкторлар) бұзылып басқа өсімдіктердің лсаңа органикалық заттар синтезінде пайдаланылады.
Заттардың жаһандық айналымында ең басты рөл суға тиесілі, оның айналымы мұхиттар, атмосфера мен литосфераның жоғарғы қабаты арасында жүреді. Буға айналған су ауа ағысымен алысқа тарайды. Су буы құрғақ құрылыққа жауын түрінде түсіп, тау жыныстарын бұзады, өсімдіктер мен микроағзаларға қолайлы жағдай жасайды, сондай-ақ топырақтың жоғарғы қабатын жуып және олардан еріген химиялық қосылыстар мен органикалық ұсақ бөлшектерді өздерімен мұхиттар мен теңіздерге ала кетеді. Бір минутта жер бетінен шамамен 1 млрд т су буға айналатыны есептеліп шығарылған. 1 г су буы түзілуі үшін 2,248 кДж энергия жұмсалып, әрі ол атмосфераға қайтады екен. Мұхит пен құрлық арасындағы су айналымы биотикалық заттар айналымының ең маңыздысы және өсімдіктер мен жануарлардың өлі табиғатпен арақатынастарының маңызды шарты. Бұндай үдерістің болуынан литосфера біртіндеп бұзылуда, сөйтіп оның компоненттері әлемдік мұхиттардың түбіне көшуде. Биотикалық заттар айналымының энергиясы абиотикалық биогеохимиялық үдерістерде шығын болған энергиямен салыстырғанда онша үлкен емес. Сол себепті химиялық элементтердің көлемді мөлшерде орын ауыстыруы жүреді.
Биосферадағы биотикалық айналымның мысалы ретінде көміртек пен азот айналымын қарастыруға болады. Көміртек айналымы фотосинтез барысында атмосфералық көміртектің қос тотығы пайда болуынан басталады. Фотосинтез барысында түзілген көмірсулардың бір бөлігі сол өсімдіктердің өздері энергия алу үшін жұмсалады, ал басқа бөлігін жануарлар пайдаланады. Көмір қышқыл газы өсімдіктер мен жануарлар тыныс алғанда да бөлінеді. Өсімдіктер мен жануарлар өліп, денелері ыдырағанда олардағы көміртек тотығып атмосфераға түседі. Осындай үдерістер мұхиттарда да жүреді.
Азот айналымы да биосфераның барлық аймағын қамтиды. Оның қоры атмосферада таусылмайтын болса да, жоғарғы өсімдіктер азоттың тек сутек немесе оттекпен қосылысын ғана пайдаланады. Мұнда маңызды рөлді азот түзуші бактериялар атқарады. Азот биогендік айналымға екі жолмен түседі:
1) әр түрлі азот оксидтері (және басқа) жауын суында еріп, сосын топыраққа, суға және мұхиттарға түсу жолымен;
2) тамырдағы бактериялармен, бос азот (N2 жинақтаушы микроағзаларда азотты биологиялық жолмен жинау. Азот тірі ағзаларда маңызды орын алады, олар белоктың және нуклеин қышқылының құрамына кіреді. Атмосфералық молекулалық азотты тек кейбір микроағзалар мен көк-жасыл су өсімдіктері ғана сіңіріп, оларды азотты қосылыстарға айналдырады. Азотты жинақтау маңызды биологиялық үдеріс, оның азот айналымы және топырақ пен суаттарды құнарландыруда рөлі маңызды.
Жер бетінде және кеннің қалың қабатымен көмілген ағза қалдықтары мен басқа да қалдықтар көптеген микроағзаладың қатысуынан бұзылады. Бұл үдерістерде органикалық азот көптеген өзгерістерге ұшырайды. Бактериялардың қатысуымен денитрификация үдерісі нәтижесінде атмосфераға қайтадан оралатын қарапайым азот түзіледі.
Белоктар ыдырағанда аммиак пен оның туындылары түзіліп, соңынан олар ауа мен мұхит суына түседі. Атмосферада нитрификация нәтижесінде, бактериялардың қатысуымен аммиак пен басқа да азоты бар органикалық қосылыстар тотыгып, әр түрлі азот оксидтері түзіледі, ал олар азрт қышқылының түзілуіне негіз болады. Азот қышқылы металдармен қосылып тұз түзеді. Динитрификациялаушы бактериялар қызметінің нәтижесінде азот қышқылының тұздары азот қышқылына, одан әрі бос азотқа дейін тотықсызданады.
Экожүйеде ағзалар тіршілігі мен заттар айналымы тоқталмауы тек энергия ағысы тұрақты болғанда ғана мүмкін. Жер бетіне түсетін энергияның 99%-ы Күн сәулесінен түседі. Бұл энергияның көп мөлшері атмосфера, гидросфера және литосферадағы химиялық және физикалық үдерістерге: ауа агысы мен су массасының орын ауыстыруына, булануына, заттардың қайта бөлінуіне, минералдардың еруіне, газдардың сіңірілуі мен бөлінуіне жұмсалады.
Күн энергиясының 1/2000000 бөлігі ғана Жер бетіне жетеді, 1-2%-ын өсімдіктер сіңіреді. Жер бетінде бір ғана үдеріс — Күн сәулесінің энергиясы тек қана жұмсалып немесе қайта бөлініп қоймай, сол сияқты байланысып, ұзақ уақытта қорланып жиналады. Бұл үдеріс — фотосинтез үдерісі органикалық заттардың түзілуіне әкеледі. Біз мыңдаған жылдардан бері таскөмірді отын ретінде жағып өсімдіктер қорынан Күн энергиясын босатамыз және пайдаланамыз.
Негізгі планетарлық өсімдіктердің (аутотрофтардың) түзілуі Күн энергиясын байланыстырып жэне қорын жинақтауында, ал ол жиналған энергия биосферадағы биохимиялық үдерістерде қолдауға жұмсалады.
Гетеротрофтар энергияны қорекпен алады. Барлық тіршілік иелері басқатіршілік иелерінің қорегі болып табылады, яғни олар өзара энергетикалық қатынаста болады. Қоректік байланыс биогенездерде бір ағзалардан басқаларға энергия беру механизмі болып табылады. Кез келген ағза түрі басқа түр үшін энергия көзі болып табылады. Әрбір қауымдастықта трофиктік байланыс күрделі тармақ құрады. Бірақ трофиктік тармақтағы энергия ұзақ уақыт онымен бірге көшіп жүре алмайды. Ол тек 4-5 буын арқылы ғана берілуі мүмкін, өйткені қоректену тізбегінде энергияның жоғалуы да жүреді. Қоректену тізбегіндегі буынның орны трофиктік дәреже деп аталады.
Бірінші трофиктік дәреже — бұл продуценттер, өсімдік биомассасын түзушілер; өсімдікпен қоректенетін жануарлар (1-қатардағы консументтер) екінші трофиктік дәрежеге жатады, өсімдіктерді жейтін жануарлармен қоректенетіндер -2-қатардағы консументтер, ал жануарлармен қоректенетін басқа тіршілік иелері — 3-қатардағы консументтер. Консументтердің энергетикалық балансы мыналардан тұрады: желінген тамақ әдетте түгел қорытылмайды, қорытылу пайызы тамақ құрамы мен тамақ қорыту ферментінің (ағзадағы) мүмкіндігіне байланысты. Жануарларда алмасу үдерісінде тамақтың 12-75%-ға дейінгісі өзгеріске түседі. Қорытылмаған бөлігі ортаға қайта оралып (экскремент түрінде) немесе басқа қоректік тізбекке түсуі мүмкін. Тағам заттарының ыдырау нәтижесінде алынған энергияның көп бөлігі ағзаның физиологиялық үрдістерінде жұмсалады, ал аз бөлігі ағзаның өз денесінде жинақталып, бойының, дене массасының өсуіне, қоректік заттар қорын жинауына жұмсалады.
Ағзадағы химиялық реакция энергиясының берілуі екінші термодинамика заңы бойынша жүреді, яғни энергия бөлігі жылу түрінде жоғалады. Әсіресе мұндай жоғалыс мөлшері дене қызметінде жоғары болады.
Тыныс алуға жұмсалған энергия мөлшері ағза массасын өсіруге жұмсалған энергиядан жоғары болады. Бұл қатынастың нақты мөлшері дараның даму стадиясы мен физиологиялық жағдайына байланысты. Энергияны зат алмасу мен физиологиялық үдерістерді қолдауға жұмсайтын жетілген даралардан гөрі, жас даралар энергияны бойы өсу үшін көбірек жұмсайды.
Сөйтіп энергияның көп бөлігі қоректік тізбектің бір буыннан екіншісіне ауысқанда жоғалады, яғни келесі буын алдыңғы буынның биомассадағы энергиясын ғана пайдалана алады. Энергияның шамамен 90%-ы жоғалып, тек 10%-ы биомассада жинақталатыны есептеліп шығарылған.
Осыған сәйкес қоректік тізбекте өсімдік биомассасында жинақталған энергия қоры шапшаң таусылады. Жоғалған, яғни таусылған энергия қоры Күн энергиясы үлесінен орны толуы мүмкін. Осылайша биосферада заттар айналымы тәрізді энергия айналымы болмайды. Биосферада энергия ағысы бір бағытты жүреді, ал ол энергия сырттан, Күн сәулесінен түседі.
Фотосинтездеуші организмдерден басталатын трофиктік тізбек қолдану тізбегі деп аталса, қурап қалған өсімдік қалдықтарынан, жануарлардың өліктері мен экскременттерінен басталатын тізбек детриттік ыдырау тізбегі деп аталады. Сонымен, биосферада энергия ағысы негізінен екі арнаға бөлінеді: өсімдіктердің тірі ағзалары арқылы консументтерге түсетін және өлген органикалық заттар қоры, ал бұлардың көзі — фотосинтез үдерісі.
Пайдаланылған әдебиеттер: Рыскиева Г.Ә., Өнеркісіп экологиясы – Алматы: Экономика, 2011. -262 бет.
