Колообіг речовин у біосфері

У біосфері хімічні елементи не накопичуються в одному місці назавжди — вони постійно переміщуються між живою речовиною, атмосферою, гідросферою й літосферою. Ці переміщення називають колообігами речовин. Розрізняють два масштаби: великий (геологічний) і малий (біологічний).

Великий (геологічний) колообіг

Великий колообіг відбувається без прямої участі організмів. Він охоплює перенесення речовин між суходолом і Світовим океаном через вивітрювання гірських порід, перенесення продуктів вивітрювання водою й вітром, осадження на дні океанів і наступне утворення нових гірських порід. Цей цикл триває мільйони років. Наприклад, граніт під дією води, вітру й перепадів температури руйнується, утворюючи пісок і глину; ці частинки річки виносять у море, де вони осідають і з часом перетворюються на пісковик або глинистий сланець.

Малий (біологічний) колообіг

Малий колообіг — це багаторазова циркуляція хімічних елементів між неживим середовищем і живими організмами. Його рушійна сила — сонячна енергія. Продуценти (рослини, водорості, ціанобактерії) поглинають неорганічні речовини з середовища й перетворюють їх на органічні. Консументи (тварини) передають ці речовини ланцюгами живлення. Редуценти (бактерії та гриби) розкладають рештки й повертають неорганічні сполуки назад у середовище. Такі цикли називають біогеохімічними — за назвою науки біогеохімії, яку заснував Володимир Іванович Вернадський.

Газові й осадові цикли

За місцем резервуара елемента біогеохімічні цикли поділяють на газові й осадові. Газові цикли мають головний резерв в атмосфері — це колообіги Карбону, Нітрогену й Оксигену. Осадові цикли мають резервуар у гірських породах. Наприклад, Фосфор міститься в мінералах (апатитах); під дією вивітрювання він переходить у ґрунтовий розчин, рослини засвоюють фосфати, з рештками організмів Фосфор частково повертається в ґрунт, а частково виноситься в океан і осідає на дні, утворюючи нові поклади.

Колообіг води

Вода — основа життя, і її колообіг охоплює всю планету. Сонячна енергія випаровує воду з поверхні океанів, водойм і суходолу. Водяна пара піднімається вгору, конденсується, утворює хмари й випадає у вигляді опадів — дощу, снігу, граду. Частина води просочується в ґрунт (ґрунтові води), а решта стікає поверхнево в річки й далі в океан.

Рослини відіграють важливу роль у колообігу води. Через продихи листків вони випаровують величезну кількість води — цей процес називають транспірацією. Понад 90 % води, поглинутої коренями, рослина випаровує, а не використовує для фотосинтезу. Тому ліси підтримують вологість повітря й збільшують кількість опадів у регіоні.

Вода бере безпосередню участь і в метаболізмі. Під час фотосинтезу молекула води розщеплюється (фотоліз води), і саме з неї утворюється кисень, що виділяється в атмосферу. Під час дихання, навпаки, вода утворюється як кінцевий продукт окиснення органічних речовин. Крім того, вода — універсальний розчинник: у ній розчинені мінеральні солі, які корені рослин поглинають із ґрунту.

Карбон — основа всіх органічних речовин. Його колообіг забезпечує постійне надходження вуглекислого газу для фотосинтезу й повернення CO₂ в атмосферу. Розгляньмо основні етапи.

Резервуари Карбону

Головне джерело Карбону для фотосинтезу — вуглекислий газ (CO₂) атмосфери, де його концентрація становить близько 0,04 %, і розчинений у воді CO₂. Проте атмосфера — не найбільший резервуар: у воді Світового океану розчинено приблизно в 50 разів більше Карбону, переважно у вигляді гідрокарбонат-іонів (HCO₃⁻). А найбільші запаси Карбону законсервовані в гірських породах — вапняках, крейді, доломітах, а також у викопному паливі (вугілля, нафта, природний газ) і торфі.

Зв'язування Карбону

Продуценти — рослини, водорості й ціанобактерії — під час фотосинтезу поглинають CO₂ з атмосфери або води й перетворюють його на органічні сполуки (глюкозу, крохмаль, целюлозу). Рівняння фотосинтезу: $6C{O}_2+6H_{2}O\stackrel{\text{світло}}{\to }{C}_6{H}_{12}{O}_6+6O_2$. Так Карбон переходить у біомасу продуцентів. Далі він передається ланцюгами живлення консументам — травоїдні з'їдають рослини, хижаки — травоїдних.

Повернення CO₂ в атмосферу

Карбон повертається в атмосферу кількома шляхами:

• Дихання (клітинне дихання) — усі живі організми (рослини, тварини, гриби, бактерії) окиснюють органічні речовини й виділяють CO₂: $C_6{H}_{12}{O}_6+6O_2\to 6C{O}_2+6H_{2}O$.

• Розкладання решток редуцентами — бактерії та гриби розкладають мертву органіку (листя, трупи, екскременти) і вивільняють CO₂.

• Горіння — лісові пожежі, спалювання дров, викопного палива. У реакції горіння органічний Карбон перетворюється на CO₂.

• Виверження вулканів — із магми вивільняється CO₂, що тривалий час був зв'язаний у глибинних породах.

Світовий океан є величезним буфером: він розчиняє надлишок CO₂ атмосфери, але підвищення температури води зменшує його розчинність, що посилює парниковий ефект.

Довготривале виведення Карбону з колообігу

Частина Карбону на мільйони років виходить із біологічного колообігу:

• Кам'яне вугілля утворилося з решток велетенських папоротеподібних рослин кам'яновугільного періоду, які відкладалися в болотах без доступу кисню.

• Нафта й природний газ — переважно з решток планктонних водоростей і дрібних морських організмів, що осідали на дні й піддавалися термічному перетворенню.

• Торф накопичується в сфагнових болотах там, де розкладання сповільнене кислим середовищем і нестачею кисню.

• Вапняки (CaCO₃) і крейда утворилися з вапнякових черепашок і скелетів морських організмів — молюсків, коралів, форамініфер. Після відмирання їхні тверді частинки осідали на дні й ущільнювалися.

Вплив людини

Людина прискорює повернення давнього Карбону в атмосферу, спалюючи викопне паливо (нафту, газ, вугілля) та вирубуючи ліси, які могли б зв'язувати CO₂. Це підвищує концентрацію парникових газів і посилює парниковий ефект — докладніше про це йтиметься в уроці «Глобальні екологічні проблеми і охорона природи».

Атмосфера містить близько 78 % азоту (N₂), але ні рослини, ні тварини не можуть засвоювати його безпосередньо. Розірвати дуже міцний потрійний зв'язок у молекулі N₂ здатний лише фермент нітрогеназа, який є тільки в прокаріотів. Нітроген конче потрібен живим організмам: він входить до складу амінокислот, білків, нуклеїнових кислот і АТФ.

Азотфіксація

Азотфіксація — це зв'язування атмосферного азоту N₂ в амоніак NH₃. Її здійснюють симбіотичні бульбочкові бактерії, що живуть у коренях бобових рослин (конюшина, люцерна, горох, соя), а також вільноживучі азотобактер і ціанобактерії (носток, анабена). Крім біологічної, існує небіологічна азотфіксація: під час грозових розрядів блискавки окиснюють N₂ до оксидів азоту, які з дощем потрапляють у ґрунт; промисловість зв'язує N₂ у синтезі амоніаку для добрив.

Поглинання Нітрогену рослинами

Рослини поглинають із ґрунту іони амонію (NH₄⁺) і нітрати (NO₃⁻) та синтезують із них амінокислоти й білки. Консументи отримують Нітроген лише з їжею — вони не можуть засвоювати ні атмосферний азот, ні мінеральні солі безпосередньо.

Амоніфікація

Амоніфікація — це розкладання гнильними бактеріями й грибами білків решток організмів і сечовини виділень до амоніаку (NH₃). У вологому ґрунті амоніак перетворюється на іони амонію NH₄⁺, які знову доступні рослинам.

Нітрифікація

Нітрифікація — це окиснення амоніаку до нітритів (NO₂⁻), а далі до нітратів (NO₃⁻). Її здійснюють нітрифікувальні бактерії — хемосинтетики й аероби, які отримують енергію саме від цього окиснення. Нітрати — головна доступна форма Нітрогену для рослин.

Денітрифікація

Денітрифікація — це відновлення нітратів до вільного азоту N₂. Її здійснюють денітрифікувальні бактерії в перезволожених ущільнених ґрунтах без кисню (анаеробні умови). Нітроген повертається в атмосферу, а ґрунт бідніє на доступні сполуки. Тому ґрунт розпушують, щоб забезпечити доступ кисню, а бобові вводять у сівозміну й використовують як сидерати (люпин, конюшина) — їхні бульбочкові бактерії збагачують ґрунт Нітрогеном. Детальніше про живлення бактерій — в уроці «Живлення бактерій, ціанобактерії та археї».

Оксиген — найпоширеніший хімічний елемент земної кори за масою. Майже весь вільний кисень атмосфери (близько 21 %) має біогенне походження, тобто утворився завдяки живим організмам. Розгляньмо його колообіг і те, як аналізувати схеми біогеохімічних циклів.

Походження атмосферного кисню

Вільний O₂ виділяється під час фотосинтезу рослин, водоростей і ціанобактерій. Джерело кисню — вода: під час світлової фази фотосинтезу відбувається фотоліз (розщеплення) води: $2H_{2}O\to 4H^{+}+4e^{-}+O_2$. Саме цей кисень надходить в атмосферу, а не той, що входив до складу CO₂. За мільярди років фотосинтез накопичив весь кисень, яким ми дихаємо.

Витрачання кисню

Кисень витрачається на:

• Дихання організмів — усі аеробні організми поглинають O₂ для окиснення органічних речовин.

• Горіння — лісові пожежі, спалювання палива.

• Окиснення гірських порід — наприклад, залізо у складі мінералів окиснюється до оксидів (іржа).

• Розкладання органічних решток редуцентами, які також споживають кисень.

Озоновий шар

У стратосфері під дією ультрафіолетового випромінювання з молекулярного кисню утворюється озон (O₃). Озоновий шар захищає все живе від жорсткого ультрафіолету. Процес: $3O_2\stackrel{UV}{\to }2O_3$.

Зв'язок колообігу Оксигену з іншими циклами

Оксиген входить до складу CO₂, H₂O, органічних речовин, карбонатів (CaCO₃) і різних оксидів. Тому його колообіг тісно переплетений з колообігами Карбону й води. Фотосинтез поглинає CO₂ і виділяє O₂, а дихання — навпаки, поглинає O₂ й виділяє CO₂. Це означає, що будь-яка зміна в одному циклі негайно позначається на інших.

Як аналізувати схему колообігу

1. Знайди резервуар елемента — атмосфера (CO₂, N₂, O₂), вода (розчинені солі, гідрокарбонати), ґрунт (нітрати, амоній, фосфати) або гірські породи (вапняк, вугілля).

2. Простеж стрілки від резервуара до живих організмів — визнач, які групи (продуценти, консументи, редуценти) переносять елемент.

3. Познач на схемі ключові процеси: фотосинтез, дихання, азотфіксацію, нітрифікацію, денітрифікацію, горіння, транспірацію.

4. Знайди місця довготривалого виведення елемента з колообігу (торф, кам'яне вугілля, вапняк, нафта).

5. Відзнач втручання людини — спалювання викопного палива, внесення добрив, осушення боліт, вирубування лісів.

Ця сама стратегія допомагає розв'язувати завдання НМТ, де подано схему колообігу без підписів: простежуй кожну стрілку, визначай напрямок і впізнавай процес за учасниками.

Розгляньмо чотири типові завдання НМТ з теми колообігу речовин і розв'яжемо їх крок за кроком.

Приклад 1. Логічні пари: процес колообігу Нітрогену → хто його здійснює

Завдання: установи відповідність між процесом колообігу Нітрогену (1–4) та організмами, що його здійснюють (А–Д).

Розв'язання. Згадай, хто виконує кожен процес. Азотфіксацію (1) здійснюють бульбочкові бактерії в коренях бобових — це А. Амоніфікацію (2) — гнильні бактерії й гриби, що розкладають білки решток, — це Б. Нітрифікацію (3) — бактерії, що окиснюють амоніак до нітратів (через нітрити), — це В. Денітрифікацію (4) — бактерії, що відновлюють нітрати до N₂ у перезволоженому ґрунті без кисню, — це Г. Відповідь: 1-А, 2-Б, 3-В, 4-Г.

Чому Д зайве: зелені рослини не здійснюють жодного з цих процесів — вони лише поглинають NH₄⁺ і NO₃⁻ із ґрунту. Якщо приписати рослинам азотфіксацію, це типова помилка: N₂ зв'язують тільки прокаріоти.

Приклад 2. Який процес повертає Карбон в атмосферу

Завдання: який із процесів повертає Карбон в атмосферу у вигляді CO₂?

• А. Фотосинтез

• Б. Дихання організмів

• В. Утворення вапняку з черепашок

• Г. Накопичення торфу в болоті

Розв'язання. Під час дихання організми окиснюють органічні речовини й виділяють CO₂ — це і є повернення Карбону в атмосферу. Відповідь: Б.

Чому інші неправильні: фотосинтез (А), навпаки, поглинає CO₂ і зв'язує Карбон в органічних речовинах; утворення вапняку (В) і накопичення торфу (Г) — це процеси довготривалого виведення Карбону з колообігу, а не повернення його в атмосферу.

Приклад 3. Два твердження

Завдання: визнач, яке з тверджень правильне. I. Рослини засвоюють азот повітря через продихи. II. Вільний кисень атмосфери утворюється під час фотосинтезу з води.

• А. Правильне лише I

• Б. Правильне лише II

• В. Обидва правильні

• Г. Обидва неправильні

Розв'язання. Твердження I хибне: рослини не засвоюють атмосферний азот N₂ — вони поглинають із ґрунту іони NH₄⁺ і NO₃⁻. Твердження II істинне: кисень фотосинтезу утворюється з води під час фотолізу. Відповідь: Б.

Пастка: багато хто вважає, що кисень фотосинтезу походить із CO₂, але це не так — джерелом O₂ є вода.

Приклад 4. Навіщо в сівозміну вводять конюшину чи люпин

Завдання: чому в сівозміну полів обов'язково вводять конюшину або люпин?

• А. Ці рослини поглинають азот повітря листками

• Б. Бульбочкові бактерії на їхніх коренях фіксують N₂ і збагачують ґрунт сполуками Нітрогену

• В. Вони виділяють у ґрунт кисень

• Г. Вони пригнічують нітрифікувальні бактерії

Розв'язання. На коренях бобових (конюшина, люпин, горох, соя) живуть симбіотичні бульбочкові бактерії, які фіксують атмосферний азот і збагачують ґрунт доступними сполуками Нітрогену. Тому після них наступні культури отримують більше азоту. Відповідь: Б.

Чому інші неправильні: рослини не поглинають азот листками (А) — це роблять лише прокаріоти; рослини не виділяють кисень у ґрунт (В) — кисень виділяється в атмосферу під час фотосинтезу; бобові не пригнічують нітрифікувальні бактерії (Г) — навпаки, вони підтримують азотний баланс ґрунту.

На НМТ з теми колообігу речовин найчастіше помиляються саме в деталях, які здаються очевидними. Розгляньмо найпоширеніші пастки.

• Вважають, що рослини засвоюють атмосферний азот безпосередньо. Насправді N₂ зв'язують лише прокаріоти (бульбочкові бактерії, азотобактер, ціанобактерії), а рослини поглинають із ґрунту іони NH₄⁺ і NO₃⁻.

• Плутають нітрифікацію з денітрифікацією й азотфіксацією. Запам'ятай напрямок: азотфіксація — N₂ → NH₃; нітрифікація — NH₃ → NO₂⁻ → NO₃⁻ (окиснення, аеробні умови); денітрифікація — NO₃⁻ → N₂ (відновлення, анаеробні умови).

• Вважають, що денітрифікація збагачує ґрунт. Насправді вона повертає Нітроген в атмосферу й збіднює ґрунт на доступні сполуки — саме тому перезволожені ущільнені ґрунти бідні на азот.

• Вважають, що кисень фотосинтезу походить із CO₂. Насправді він утворюється з води під час фотолізу: $2H_{2}O\to 4H^{+}+4e^{-}+O_2$. Карбон із CO₂ іде на побудову глюкози, а кисень води виділяється в атмосферу.

• Забувають про горіння й розкладання як джерела CO₂, а про вапняки й викопне паливо — як місця тривалого зберігання Карбону. Повертають CO₂: дихання, розкладання, горіння, вулкани. Зберігають Карбон надовго: вапняк, крейда, вугілля, нафта, торф.

• Змішують великий геологічний колообіг із малим біологічним. У великому колообігу організми не беруть участі (вивітрювання, перенесення, осадження), а в малому вони обов'язково беруть участь — продуценти, консументи й редуценти.

Запам'ятай-правило: у завданнях про Нітроген завжди питай себе «хто це робить?». Якщо процес перетворює N₂ — це азотфіксація (прокаріоти); якщо білки → NH₃ — амоніфікація (гнильні бактерії й гриби); якщо NH₃ → NO₃⁻ — нітрифікація (нітрифікувальні бактерії); якщо NO₃⁻ → N₂ — денітрифікація (денітрифікувальні бактерії без кисню).

Колообіг речовин належить до теми 5.3 програми НМТ з біології «Біосфера як глобальна екосистема» (пункт змісту «біогеохімічні цикли (колообіг речовин)»). Вимоги програми: знати ключові біогеохімічні цикли й аналізувати їхні схеми.

Форми завдань

• Вибір однієї відповіді з чотирьох (завдання 1–24, 0 або 1 бал) — зокрема формат «два твердження», де треба оцінити істинність кожного з двох тверджень.

• Логічні пари (завдання 25–28, 1–4 → А–Д, до 4 балів) — наприклад, «процес колообігу → організми, що його здійснюють».

Що варто знати про демоваріант

Окремого завдання саме з теми 5.3 у демоваріанті 2026 немає, але рисунок, схема чи фото є в 15 з 30 його завдань. Тому схему колообігу треба вміти читати без підказок: за стрілками визначати процес, його учасників і наслідок для вмісту елемента в атмосфері, ґрунті чи організмах.

Стратегія розв'язування

Довідкових матеріалів на НМТ немає, тож уся потрібна інформація — у твоїй пам'яті. Стратегія для завдань зі схемами: простеж один елемент стрілками від резервуара до організмів і назад, подумки підписуючи кожен процес (фотосинтез, дихання, азотфіксація, нітрифікація, денітрифікація, горіння, транспірація). На весь тест орієнтовно відводиться 60 хвилин, тож на одне завдання зі схемою плануй не більше 2–3 хвилин.

Короткі відповіді на питання, які найчастіше виникають під час вивчення колообігів речовин.

• Малий біологічний колообіг — циркуляція хімічних елементів між середовищем і організмами завдяки сонячній енергії; великий геологічний колообіг відбувається без участі організмів і триває мільйони років.

• Карбон: фотосинтез зв'язує CO₂ в органічних речовинах; дихання, розкладання й горіння повертають CO₂ в атмосферу; вапняк, вугілля, нафта й торф зберігають Карбон надовго.

• Нітроген: азотфіксація N₂ → NH₃, амоніфікація білків → NH₃, нітрифікація NH₃ → NO₂⁻ → NO₃⁻, денітрифікація NO₃⁻ → N₂.

• Рослини засвоюють не атмосферний N₂, а іони NH₄⁺ і NO₃⁻ із ґрунту; N₂ зв'язують лише прокаріоти.

• Кисень атмосфери — продукт фотосинтезу з води (фотоліз H₂O); з O₂ у стратосфері утворюється озоновий шар O₃.

• Колообіг води: випаровування й транспірація → конденсація й хмари → опади → поверхневий і підземний стік до океану; ліси через транспірацію підтримують вологість повітря й опади.