Перейти до основного вмісту
Каталог

Колообіг речовин у біосфері

~15 хв · 9 розділів · 10 тестових запитань

Екологія і біосфера
Біологія НМТ

Описувати колообіги води, Карбону, Нітрогену й Оксигену в біосфері, визначати роль продуцентів, консументів, редуцентів і груп бактерій на кожному етапі та аналізувати схеми біогеохімічних циклів.

Великий і малий колообіги; колообіг води

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.

Рендеринг діаграми…

Колообіг Карбону

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: . 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: .

  • 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».

Колообіг Нітрогену

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».

Рендеринг діаграми…

Колообіг Оксигену і читання схем колообігів

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: . 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: .

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.

Розбираємо завдання

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).

Процес

Організми

1 азотфіксація

А бульбочкові бактерії в коренях конюшини

2 амоніфікація

Б гнильні бактерії й гриби, що розкладають білки решток

3 нітрифікація

В бактерії, що окиснюють амоніак до нітратів

4 денітрифікація

Г бактерії, що відновлюють нітрати до N₂ у перезволоженому ґрунті

Д зелені рослини — зайве

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.

Типові помилки й пастки

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: . 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).

Як це перевіряють на НМТ

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.

Питання й відповіді

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

Чому рослини не можуть засвоїти азот просто з повітря?

Молекула азоту N₂ дуже міцна: її атоми з'єднані потрійним зв'язком. Розірвати цей зв'язок здатний лише фермент нітрогеназа, який є тільки в прокаріотів — бульбочкових бактерій, азотобактера, ціанобактерій. Рослини такого ферменту не мають, тому вони поглинають азот із ґрунту у вигляді іонів амонію NH₄⁺ і нітратів NO₃⁻.

Чим нітрифікація відрізняється від денітрифікації?

Це протилежні процеси. Нітрифікація — окиснення амоніаку до нітратів (NH₃ → NO₂⁻ → NO₃⁻), її здійснюють нітрифікувальні бактерії-хемосинтетики в аеробних умовах; ґрунт збагачується доступним азотом. Денітрифікація — відновлення нітратів до вільного азоту (NO₃⁻ → N₂), її здійснюють денітрифікувальні бактерії в анаеробних умовах; азот іде в атмосферу, а ґрунт бідніє.

Навіщо розпушувати ґрунт, якщо йдеться про колообіг Нітрогену?

Розпушування забезпечує доступ кисню в ґрунт. У перезволожених ущільнених ґрунтах без кисню активно працюють денітрифікувальні бактерії, які відновлюють нітрати до N₂, і азот (N₂) виділяється в атмосферу. Аеробні умови, навпаки, сприяють нітрифікації — утворенню нітратів, доступних рослинам.

Звідки в атмосфері взявся вільний кисень?

Майже весь вільний кисень атмосфери (близько 21 %) — біогенного походження. Його виділили під час фотосинтезу рослини, водорості й ціанобактерії. Джерело кисню — вода: під час фотолізу води в світловій фазі фотосинтезу розщеплюється H₂O, і звільнений O₂ надходить в атмосферу. За мільярди років фотосинтез накопичив увесь атмосферний кисень.

Чому кам'яне вугілля називають законсервованим Карбоном?

Кам'яне вугілля утворилося з решток рослин давніх лісів, які відкладалися в болотах без доступу кисню й не розкладалися повністю. Карбон, який рослини зв'язали з CO₂ під час фотосинтезу мільйони років тому, «законсервувався» у вугіллі й вийшов із колообігу. Коли людина спалює вугілля, цей давній Карбон повертається в атмосферу як CO₂.

Коротко: головне

  • 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.