БИОСФЕРАДАҒЫ ЗАТ АЙНАЛЫМЫ ЖӘНЕ ЭНЕРГИЯНЫҢ ӨЗГЕРУІ

Зат айналымы. Биосфераны түзген және оның тұрақтылығы мен біртұтастығын қамтамасыз еткен негізгі биологиялық зат айналымы тұтастай алғанда бүкіл биомассаның тіршілік әрекетімен байланысты.

Күннің жарық энергиясын сіңірген жасыл өсімдіктер бейорганикалық заттардан органикалық заттар - бүкіл планетадағы жануарлар, саңырауқұлақ; бактерияларға қажетті бастапқы өнім түзеді. Жануарлар бастапқы өсімдік өнімін ақырғы өнім - жануарлар өніміне айналдырады. Бактериялар мен саңырауқұлақтар бастапқы өсімдік және ақырғы жануарлар өнімін минералдық заттарға дейін ыдыратады.

Жер бетінде тіршіліктің болуын қамтамасыз ететін биологиялық зат айналымының негізін Күн энергиясы мен жасыл өсімдіктер хлорофилі құрайды. Қалған зат айналымдары биологиялық зат айналымымен байланысты және оған септігін тигізеді. Кез келген биогеоценозда әр түрлердің популяциялары арасындағы өзара қарым-қатынас өте күрделі және қарама-қайшы болып келеді. Жануарлар мен өсімдіктер бір-бірімен қоректену тізбегі арқылы және қоршаған өлі табиғатпен (жарық, су, жылу, ауа, химиялық элементтер) тұрақты зат алмасуы арқылы байланысады. Осы арқылы олар әрбір биогеоценозда және бүкіл биосферада өтіп жататын зат айналымына қатысады.

Биосферада үнемі су мен тірі организмдер құрамына кіретін барлық элементтер айналымы болып тұрады. Бұл процесс ондаған миллион жылдарға созылады. «Тұтас алып қарағанда жер бетінде тірі организмдердей мейлінше жұдіретті, сондықтан да өзінің ақырғы нәтижесі тұрғысынан қарағанда, мейлінше тұрақты ықпал жасайтын химиялық күш жоқ» (Вернадский).

Жер планетасындағы зат айналымында тірі зат немесе биомасса биогеохимиялық, газдық, концентрациялық, тотығу-тотық-сыздану және биохимиялық кызмет атқарады.

Газдык, қызмет фотосинтез процесі кезінде оттегін бөліп шығаратын жасыл өсімдіктер, сол сиякты тынысалу кезінде көмір қышқыл газын бөліп шығаратын өсімдіктер мен жануарлар, азотты, күкіртсутекті және т. б. қалпына келтіретін көптеген бактериялар арқылы жүзеге асады.

Концентрациялык, қызметі тірі организмдердің химиялық элементтерді (сутегін, көміртегін, азотты, оттегін, натрийді, марганецті, магнийді, алюминийді, фосфорды, кремнийді, калийді, кальцийді, күкіртті, темірді) «қабылдауынан» және йод, радий секілді жекелеген түрлерді жинақтауынан байқалады.

Тотығу-тотықсыздану қызметі топырақтағы және гидросферадағы организмдердің көмегімен заттарды тотықтыру, сөйтіп тұз, оксидтер түзу, заттарды (күкіртсутек, күкіртті темір және басқалар) қалпына келтіру арқылы пайда болады. Әктас, боксит руда және т. б. жер қыртысында бактериялардың әрекеті нәтижесінде түзіледі.

Биохимиялыц цызмет коректену, тынысалу және көбеюге, өлген организмдердің ыдырауы мен шіруіне байланысты. Бұлардың бәрі атомдардың биогендік миграциясынан байқалады.

Адамның іс-әрекеті мен осы әрекет нәтижесінде өнеркәсіптің бөліп шығаратын және пайдаланатын химиялық элементтер айналымы ерекше орын алады.

Атомдардың биогендік миграциясы. Биосферада бір организмнен екіншісіне, өлі табиғатқа және қайтадан организмге өтіп отыратын активті элементтердің тұрақты айналымы болады. Бұл Жердегі сулы ортада (элементтердің еруі, топырақтағы ыза және жер бетіндегі суда ертінділердің қозғалуы) және атмосферада (газ тәрізді қосылыстар мен су буларының қозғалуы) болып жататын физикалық-химиялық өзгерістерге ұқсамайтын биогендік миграция. Микроорганизмдер босатып шығарған элементтер шіру кезінде топырақ пен атмосфераға өтіп, биосферадағы зат айналымына кіріседі, оларды тірі организмдер гіайдаланады.

Биосфера заттарының айналымында тірі организмдердің кұрамына белгілі бір элементтер (көміртегі, азот, сутегі, оттегі, күкірт) кіреді. Олар өлі табиғаттан өсімдіктер құрамына, өсімдіктерден - жануарлар мен адамға өтеді. Атомдар бір организмнен екінші организмге ауысып, тіршілік шеңберінде жүз миллиондаған жылдар бойы жүре береді, бұл жағдайды изотоптар туралы кейінгі кездерде алынған мағлұматтар дәлелдеп отыр. Органикалық қосылыстар құрамына элементтердің белгілі изотоптары кіреді. Сутегінің үш изотобынан - ¹Н, ²Н, ³Н - біріншісі ғана активті болады, өйткені ол екіншісіне қарағанда реакцияға есе тезірек түседі. Табиғатта оттегінің үш изотобы бар, олар: ¹⁶О, ¹⁷О және ¹⁸О. Ең жеңіл оттегі ¹⁶О судың құрамына кіріп, фотосинтезге қатысады. Органикалық заттардың құрамына ¹²С кірсе, бейорганикалық процестерге ¹³С қатысатыны белгілі.

Тірі организмдерде химиялық элементтердің жинақталуы, сондай-ақ өлі организмдердің ыдырауы нәтижесінде олардың босап шығуы - биогендік миграцияға тән қасиет. Биогеоценоздың әрқайсысынан элементтердің биологиялық айналымын – олардың жинақталуы мен минералдануын байқауға болады. Жасыл өсімдіктер бар жағдайда құрлық бетінде және теңіздің үстіңгі қабаттарында тірі заттардың пайда болуы олардың минералдануынан басым келеді. Жер шарындағы өсімдіктер атмосфера мен гидросферадағы көмірқышқыл газынан көміртегін алады. Топырақ пен теңіздің терең түбінде минералдану басым болады. Организмдердің (бактериялардың, споралардың, тұқымдардың, бунақденелілердің, құстардың және т. б.) таралуы мен қозғалуы атомдардың миграциялануына себепші болады. Құстар, балықтар мен бунақденелілер алысқа миграция жасап, химиялық элементтерді де тасымалдайды. Өсімдіктер мен жануарлардың бір-біріне тіршілік үшін қажетті элементтерді беріп отыратын өзара күрделі карым-қатынастарының тізбегін барлық биогеоценоздардан көруге болады (25-параграфты қара).

Биогендік миграция үш тіршілік процесінен тұрады: организмдердегі зат алмасуы, олардың өсуі және көбеюі.

Атомдар биогендік миграциясының екі тегі болады: біріншісі микроорганизмдерді, екіншісі - көпклеткалы организмдерді туғызады. Бірінші тектегі атомдардың миграциясы екіншісінің миграциясынан асып түседі. Адам баласы өзінің әрекеті әсерімен өтетін атомдар миграциясының үшінші тегін игереді.

Табиғаттағы азот айналымы.

Микроорганизмдердің зат айналымындағы ролі. Микроорганизмдердің атмосферада, литосферада, гидросферада таралуы, олардың көбею жылдамдығы және зат айналымына әсер ететін тіршілік әрекеті биосферада орасан зор роль атқарады.

Кейбір бактериялардың споралары - 253°С температурада тіршілік қабілетін сактай алады. Кішкентай және жеңіл микроорганизмдер мен олардың споралары тропосфера шегінен де жоғары көтеріледі. Бактериялардың таралуы олардың көбею жылдамдығына байланысты. 1 г бактерияның құрамында 600 миллиардтан астам особьтар болады. Қоректік заттар бар бола тұрып, ешбір кедергісіз көбейген жағдайда, бір бактериядан тараған ұрпақ 5 тәулік ішінде бүкіл Әлемдік мұхитты толтырған болар еді. Микроорганизмдер өте тез көбейе алатындықтан аса зор генетикалық өзгергіштік пен бейімделушілікке ие болады.

Қоректенуіне және энергияны пайдалануына қарай бактериялардың түрлері төмендегіше болады: химиялық қосылыстардың (темірбактериялар, күкіртбактериялар, азотбактериялар және т. б.) энергиясын пайдаланатын хемосинтездеуші бактериялар; органикалық (сүтқышқылды, майқышқылды сіркеқышқылды, шіріткіш, т. б.) заттарды қорек ететін сапрофит бактериялар; тірі организмдермен қоректенетін паразит бактериялар (туберкулез, оба, тырыспа, сүзек, т. б. ауруды тудырады). Бактериялардың тіршілік әрекетінің бір жакты «мамандануының» салдарынан бір бактериялардың орнын екінші бактериялар басып отырады. Мысалы, сүтқышқылының ашу процесінде сүтте: алғашында шіріту және майқышқылы бактериялар көп болады; одан соң сүтқышқылының жиналуына қарай аса қышқылдыққа төзе алмай олар қырылып қалады да, орнына сүтқышқылды бактериялар мекендейді. Бірақ осыдан кейін олар да қантты тотықтырып, түзген сүт қышқылды ортада тіршілігінен айрылады. Топырақ ішінде шіріту бактериялары органикалық қалдықтарды шірітіп, аммиак бөліп шығарса, бактериялардың басқа бір түрлері оны азотты қышқылға соңынан азот қышқылына айналдырады.

Нитрлеуші (аэробты) және басқа бактериялар топырақта азот қосылыстарын жинайды ал денитрлеуші (анаэробты) бактериялар ауаға азот бөліп шығарады.

Л.Пастер бактерияларды «табиғаттың ұлы тажалдары» деп атады. Минут сайын миллиондаған организмдер өліп жатады. Өсімдіктер мен жануарлардың өлген денелерінің шіруі - биосферадағы орасан зор процесс, осы процесс нәтижесінде күрделі органикалық қосылыстар қайтадан жай минералды затқа айналады. Шіру кезінде атмосфераға көп мөлшерде көмірқышқыл газ бен сутегі бөлініп шығады. Егер жасыл өсімдіктер органикалық заттарды түзуші, жануарлар оларды қорек етуші десек, микроорганизмдер негізінен сол органикалық заттарды бүлдіруші болады. Микроорганизмдер биосферадағы геохимиялық процестер мен зат айналымына сондай-ақ заттарды зат айналымынан шығарып, олардың жер қыртысында кор түзуіне кеңінен қатысады.

Биосфера және энергияның өзгеруі. Жердегі заттар тіршілік жағдайларына ғана тәуелді болып қоймай, биосферада болып тұратын барлық химиялық процестерді қамтып, қайта құрып отырады, биосфераға бір жағынан энергия келіп жатса, сол сәтте ол екінші жағынан ысырап болып жатады. Жердің энергетикалық балансының ең негізгі көзі - Күн және радиоактивтік энергиялар. Жер эволюциясы барысында радиоактивтік заттар үнемі ыдырап, осыдан 3 млрд. жыл бұрын радиоактивті жылу 18 есе көп болған. Қазіргі уақытта Жерге түсетін Күн сәулесінің жылуы ішкі жылудан әлдеқайда көп.

Жер тіршілігінде үздіксіз келіп тұратын Күн энергиясы: 10,5 • 10²⁰ кДж/жыл (2,5-10²⁰ ккал/жыл) негізгі роль атқарады, Күн энергиясының 42%-і жерден шағылысып, әлем кеңістігіне кетеді, 58%-і атмосфера мен топыраққа сіңеді. Осы мөлшердің 20%-і Жерден сәулеленіп қайта шығады, ал 10%-і Әлемдік мұхит суын буға айналдыруға жұмсалады. Күн энергиясы жасыл өсімдіктер денесіне жиналып, басқа организмдерге өтеді.

Жер шарындағы жасыл өсімдіктер жылына 100 млрд. тоннадай органикалық зат түзіп, олар арқылы жылына 1,8 х 10 ¹⁸ кДж-ге (45 х 10¹⁷ ккал) жуық энергия жинап алады. Сонда олар 1,7 х 10⁸ тоннадай көмірқышқыл газын сіңіріп, шамамен 11,5 х 10⁷ тоннадай оттегін бөліп шығарады және 16 х 10¹³ т суды буға айналдырады. Күн, оның жарық сәулелері - Жердегі энергия көзі, ол энергияны фотосинтез процесінде өсімдіктер пайдаланып, органикалық зат жасап, оттегін бөліп шығарады. Органикалық заттардың пайда болуы - эндотермиялық процесс, олардың тотығуы - экзотермиялық процесс. Жасыл өсімдіктерде болатын фотосинтезбен қатар, Жерде мөлшері жөнінде онымен қатар шамалас, органикалық заттардың тотығу процесі де болып тұрады, бұл тынысалу, ашу, шіру процестері, одан жылу энергиясы, су және көмірқышқыл газы бөлініп шығады. Олардың біразы жер қыртысындағы организмдер қалдығы - көмір, мұнай, сапропель (лай) және шымтезек құрамында сақталып келген.

Күн энергиясы Жерде көлемі жағынан өте үлкен климаттық, геологиялық және биологиялық процестер тудырады. Биосфераның әсерімен ол әртүрлі энергия формаларына айналып, көлемі мен жылдамдығы жағынан үлкен миграцияға ұшырататын заттар айналымына, биомассаның көбейіп, таралуына әкеліп соғады. Оны мына есептен көруге болады. Өсімдік фотосинтезі болмаса, 100 жыл ішінде ауа құрамындағы көмірқышқыл газ мөлшері орасан көбейіп, адам мен жануарлар қырылып қалар еді.

Биосферада 2 млрд. жылдан бері өзгерістер болып келеді. Биосфера бүкіл жер шарын қамтиды. Оның құрамына әр алуан экожүйелердің (биогеоценоздардың) барлығы енеді.

Биосфера - Жердегі барлык, тірі заттар мен химиялық элементтер айналымының жүйесі, бірақ ол ашық жүйе, өйткені оған сырттан үздіксіз күн энергиясының ағымы келіп жатады.

1. Полянский Ю.И. Жалпы биология. -Алматы, 1991. -299 б.