W ekosystemach obecny jest przepływ energii i krążenie substancji
W poprzednim paragrafie wyjaśniliśmy, że energia przepływa przez ekosystem jednokierunkowym strumieniem: energia słoneczna jest pochłaniana przez producentów i przekazywana od jednego poziomu troficznego do innego, podtrzymując istnienie ekosystemu, a następnie rozprasza się w postaci ciepła.
Zmiana energii w ekosystemie (zresztą jak i na Ziemi) podporządkowuje się prawom termodynamiki. Pierwsze prawo termodynamiki (prawo zachowania energii) twierdzi, że energia nie powstaje z niczego i nie znika bez śladu, przechodzi tylko z jednej postaci w inną. Odnośnie ekosystemu oznacza to, że cała energia, która znajduje się na wszystkich poziomach troficznych w postaci zależności chemicznych w żywych i martwych organizmach, kiedyś była energią, którą złapały organizmy autotroficzne.
Odpowiednio do drugiego prawa termodynamiki energia cieplna nie może być wykorzystana przez organizmy żywe do wykonania pracy, dlatego w ekosystemach nie ma „krążenia” energii. W odróżnieniu od energii, pierwiastki chemiczne w ekosystemach biorą udział w złożonych krążeniach, organizmy żywe włączają je do swego składu, a następnie one wracają z powrotem do otaczającego środowiska. Rozpatrzmy obieg dwóch najważniejszych pierwiastków chemicznych - węgla i azotu.
W krążeniu węgla biorą udział wszystkie żywe organizmy na planecie
Węgiel jest podstawą wszystkich związków organicznych i wchodzi w skład wszystkich bez wyjątku organizmów żywych, dlatego rolę tego pierwiastką dla życia nie sposób przecenić. Węgiel znajduje się w przyrodzie w różnych postaciach: kopalnych węglowodorów (ropa naftowa, gaz ziemny), prostych związków nieorganicznych (dwutlenek węgla, węglany) i oczywiście w złożonych związkach organicznych w organizmach żywych. W atmosferze węgiel przeważnie znajduje się w składzie dwutlenku węgla i metanu, w litosferze - w postaci węgla, ropy naftowej, węglanów, grafitu i innych związków.
Krążenie węgla (ryc. 52.1) w ekosystemach związany jest z dwoma podstawowymi procesami - przyswajaniem dwutlenku węgla w procesie fotosyntezy i jego powrotem do atmosfery podczas oddychania. Organizmy autotroficzne, na przykład rośliny i glony, są zdolne do włączania nieorganicznego dwutlenku węgla w skład cukrów i innych substancji organicznych. Wydzielanie się dwutlenku węgla z powrotem do atmosfery odbywa się w procesie oddychania organizmów żywych i rozkładu organiki martwej.
W większości stabilnych ekosystemów procesy przyswajania dwutlenku węgla i oddychania są zrównoważone. Rośliny pochłaniają C02, ale one są zjadane przez zwierzęta lub obumierają i rozkładają się z udziałem reducentów, czemu towarzyszy wydzielanie się takiej samej ilości C02 z powrotem do atmosfery. Wyjątkiem są te ekosystemy, w których biomasa w określony sposób jest wyłączana z obiegu. Przede wszystkim dotyczy to ekosystemów morskich, w których martwe organizmy opuszczają się na dno, gdzie procesy gnilne są spowolnione z powodu niskich temperatur i wysokiego ciśnienia. Wśród ekosystemów lądowych podobny proces jest charakterystyczny na przykład dla bagien. Natomiast lasy tropikalne, mimo że pochłaniają dziesiątki gigaton dwutlenku węgla rocznie, tyle samo wydzielają z powrotem do atmosfery. To wcale nie znaczy, że lasy są niekorzystne dla planety i że ich wycinanie nie ma negatywnego wpływu: w składzie ich biomasy znajduje się ogromna ilość węgla i w wyniku wykorzystania drewna cały ten węgiel wraca z powrotem do krążenia!
Obieg węgla ostatnio zwraca na siebie szczególną uwagę. Chodzi o to, że dwutlenek węgla i metan wraz z niektórymi innymi gazami i parą wodną powodują tak zwany efekt szklarniowy (ryc. 52.2), który prowadzi do globalnego ocieplenia i zmiany klimatu. W ciągu milionów lat węgiel organizmów żywych był wyprowadzany z ekosystemów w postaci kopalin - węgla, ropy naftowej i gazu. Intensywne spalanie tych kopalin użytecznych i wycinanie lasów w ostatnich dziesięcioleciach doprowadziło do zakłócenia równowagi węglowej i zwiększenia się zawartości dwutlenku węgla w atmosferze. Dwutlenek węgla jest swoistym ciepłoizolatorem atmosferycznym dla planety, ponieważ nie przepuszcza promieniowania cieplnego od jej powierzchni. Może to doprowadzić do wzrostu średniej temperatury, poważnych zmian klimatu i klęsk żywiołowych.
Krążenie azotu nie jest możliwe bez udziału bakterii
Azot - to jeden z najważniejszych pierwiastków, który wchodzi w skład organizmów żywych. Powietrze, którym oddychamy, w 78% składa się z azotu, ale w nim azot znajduje się w postaci praktycznie nieprzyswajalnej dla organizmów (nazwa „azot” tłumaczy się z języka greckiego jak „bez życia”). To dlatego, że związek między dwoma atomami azotu w cząsteczce N2 jest bardzo silny i żeby go rozerwać, potrzebna jest znaczna ilość energii.
W przemyśle, aby rozerwać związki w tej cząsteczce na przykład do produkcji amoniaku, potrzebne są: wysoka temperatura, ciśnienie i katalizator. W przyrodzie z tym zadaniem mogą sobie poradzić tylko niektóre drobnoustroje glebowe - bakterie azotowe.
One wiążą azot atmosferyczny i przekształcają go w postać dostępną dla przyswajania przez rośliny. Wiele bakterii azotowych żyje w symbiozie z roślinami. Niektóre na przykład formują brodawki na korzeniu przedstawicieli rodziny motylkowych (grochu, fasoli i innych roślin), ale istnieją również wolnożyjące glebowe nitryfikatory (ryc. 52.3).
Większość podstawowych etapów krążenia azotu (ryc. 52.4) w przyrodzie w ten czy inny sposób związana jest z działalnością bakterii. Tak zwane bakterie nitryfikacyjne
przekształcają amoniak, produkowany przez bakterie nitryfikacyjne, na azotyny i azotany, które rośliny mogą wykorzystywać do syntezy azotowych związków organicznych -aminokwasów, nukleotydów, chlorofilu i in. Zwierzęta otrzymują związki azotu, zjadając rośliny lub inne zwierzęta.
Azot z martwych organizmów lub produktów działalności zwierząt wraca do otaczającego środowiska. Złożone związki organiczne w procesie amonifikacji rozpadają się, wydzielając amoniak. Wiesz już, że amoniak może ulegać nitryfikacji, tworząc azotyny i azotany i w takiej postaci znów pochłaniany jest przez rośliny. Z innej strony, część azotynów i azotanów ulega denitryfikacji z wydzielaniem się cząsteczek azotu i tlenków azotu w stanie gazowym, które wracają do atmosfery.
A więc podstawowe etapy krążenia azotu można podać w następującej kolejności: wiązanie atmosferycznego azotu bakteriami nitryfikacyjnymi z wydzielaniem się amoniaku —»■ nitryfikacja amoniaku z tworzenie się azotynów i azotanów —> pochłanianie ostatnich przez rośliny i włączenie do złożonych związków organicznych —» rozpowszechnienie się związków azotu na troficzne poziomy ekosystemu —» tworzenie się amoniaku z produktów czynności życiowych organizmów i organiki martwej w wyniku amonifikacji —> nitryfikacja z tworzeniem się azotynów i azotanów —> powrót do łańcucha pokarmowego lub denitryfikacja z tworzeniem się N20 i N2.
Człowiek stał się nieodłączną częścią w krążeniu azotu
Ilość azotu, który jest wiązany przez mikroorganizmy glebowe, od dawna już nie zapewnia potrzeb przemysłu rolniczego. Obecnie wniesienie do gleby nawozów azotowych jest niezbędnym warunkiem istnienia rolnictwa, a ich produkcja wiąże ponad 80 min ton azotu atmosferycznego w ciągu roku. Dla porównania: bakterie glebowe wiążą w ciągu roku około 100 min ton azotu.
Do początku XX wieku nie było technologii przemysłowego wiązania azotu, ale człowiek w ciągu stu lat nauczył się produkować nawozy azotowe w ilościach, które są zbliżone do skali przyswajania azotu w całej biosferze. Jednak spowodowało to nowe problemy dotyczące zanieczyszczenia otaczającego środowiska. Jeden z nich wynika podczas zmywania nawozów azotowych do jezior i innych zbiorników wodnych. Skutkiem tego jest eutrofizacja - znaczne zwiększenie się zawartości w zbiornikach wodnych substancji mineralnych. Wskutek eutrofizacji na początku odbywa się aktywne rozmnażanie glonów mikroskopijnych i sinic (fitoplanktonu), które jest nazywane zakwitem wody. Zmniejsza to przejrzystość wody i rośliny podwodne giną od niedostatku światła. Po obumarciu fitoplanktonu i roślin gnicie ich szczątków obniża koncentrację tlenu w wodzie, co powoduje ginięcie zwierząt wodnych z powodu zaduchy. W ten sposób różnorodność gatunków w ekosystemie znacznie się zmniejsza, a takie zbiorniki wodne postępowo przekształcają się na bagna.
Inny problem związany jest z zanieczyszczeniem powietrza tlenkami azotu, na przykład tymi, które tworzą się w silnikach wewnętrznego spalania pod działaniem wysokiej temperatury i ciśnienia. Wskutek reakcji tych tlenków z wodą tworzy się kwas azotowy i azotawy, co prowadzi do wypadania kwaśnych deszczów, które są poważnym zagrożeniem dla otaczającego środowiska. Skutkiem wypadania kwaśnych deszczów jest znaczne zwiększenie się kwasowości gleby i wody. Takie zakwaszenie przyczynia się do zmniejszenia liczebności roślin w ekosystemach. Sieci zależności pokarmowych zaczynają się właśnie od roślin, dlatego ich ginięcie zmienia cały ekosystem, powodując wymieranie znacznej części zwierząt i drobnoustrojów. W ten sposób działalność człowieka wpływa nawet na oddalone zespoły naturalne.
Zastanów się
Wybierz jedną poprawną odpowiedź
1
Odpowiedzialne za efekt szklarniowy przeważnie są takie dwa gazy jak A wodór i propan В metan i dwutlenek węgla
C tlen i azot D argon i radon E azot i dwutlenek węgla
2
Do przyswajania atmosferycznego dwutlenku węgla są zdolne A zwierzęta В bakterie kwasu mlekowego
C bakterie azozótowe D sinice E pleśnie
3
Pochłaniają więcej dwutlenku węgla niż wydzielają do atmosfery A lasy tropikalne i rafy koralowe В bagna i ekosystemy morskie
C ekosystemy rzek i potoków D zespoły roślin zielnych E pustynie
4
Bakterie brodawkowe biorą udział w procesie przyswajania atmosferycznego A azotu В dwutlenku węgla C amoniaku D wodoru E metanu
5
Zanieczyszczenie powietrza tlenkami azotu jest niebezpieczne z powodu A zmniejszenia się koncentracji azotu w atmosferze В zwiększenia się koncentracji azotu w atmosferze C zwiększenia się koncentracji amoniaku w atmosferze D zmniejszenia się koncentracji tlenu w atmosferze E zwiększenia się ryzyko wypadania kwaśnych deszczów
Sformułuj odpowiedź w postaci kilku zdań
6
Dlaczego w ekosystemach obecny jest przepływ, a nie krążenie energii? Dlaczego dla substancji charakterystyczny jest i przepływ, i krążenie?
7
Podaj charakterystykę krążenia węgla w przyrodzie. Jakie istoty decydują o podtrzymaniu jego równowagi?
8
Jakie przedsięwzięcia mogą być najefektywniejsze dla zmniejszenia się koncentracji dwutlenku węgla w atmosferze?
9
Dlaczego ekosystemy cierpią z powodu eutrofizacji?
10
Tradycyjny sposób zwiększenia urodzajności gleby związany jest z hodowlą na nim grochu i zaoraniem jego zielonej masy jako nawozu. Wyjaśnij mechanizm tego sposobu zwiększenia urodzajności.
Znajdź odpowiedź i zbliż się do rozumienia przyrody
11
Jaka jest rola metanu w powstawaniu efektu szklarniowego? Jakie przedsięwzięcia są podejmowane w celu zmniejszenia jego koncentracji?
12
Czym zagrażają deszcze kwasowe ekosystemowi?
Dowiedz się samodzielnie i opowiedz innym
13
Nie wszyscy uczeni zgadzają się z tym, że globalne ocieplenie związane jest z działalnością człowieka i jest zagrożeniem dla biosfery. Przytocz argumenty obydwu stron w dyskusji o roli człowieka w zwiększeniu się efektu szklarniowego.
14
W ciągu całej historii Ziemi koncentracja dwutlenku węgla w atmosferze znacznie się zmieniała. Wytłumacz, na podstawie jakich danych to było ustalone i z czym są związane te zmiany.
Źródło: Biologia podręcznik dla klasy 9 Szałamow