Большой биологический круговорот. Круговороты веществ

Все вещества на нашей планете находятся в процессе круговорота. Солнечная энергия вызывает на Земле два круговорота веществ, большой или биосферный (охватывающий всю биосферу), и малый или биологический (внутри экосистем).

Биосферному круговороту веществ предшествовал геологический, связанный с образованием и разрушением горных пород и последующим перемещением продуктов разрушения - обломочного материала и химических элементов. Значительную роль в этих процессах играли и продолжают играть термические свойства поверхности суши и воды: поглощение в отражение солнечных лучей, теплопроводность в теплоемкость. Вода больше поглощает солнечной энергии, а поверхность суши в одних и тех же широтах больше нагревается. Неустойчивый гидротермический режим поверхности Земли вместе с планетарной системой циркуляции атмосферы обусловливал геологический круговорот.веществ, который на начальном этапе развития Земли наряду с эндогенными процессами, был связан с формированием континентов, океанов и современных геосфер. О геологическом проявлении его говорит и перенесение воздушными массами продуктов выветривания, а водой - растворенных в ней минеральных соединений. Со становлением биосферы в большой круговорот включились продукты жизнедеятельности организмов. Геологический круговорот, не прекратив своего существования, приобрел новые черты: он стая начальным этапом биосферного перемещения вещества. Именно он поставляет живым организмам элементы питания и во многом определяет условия их существования.

Большой круговорот веществ в биосфере характеризуется двумя важными моментами:

Осуществляется на протяжении всего геологического развития Земли;

Представляет собой современный планетарный процесс, принимающий ведущее участие в дальнейшем развития биосферы (Радкевич, 1983).

На современном этапе развития человечества в результате большого круговорота на большие расстояния переносятся также загрязняющие вещества, такие как оксиды серы и азота, пыль, радиоактивные примеси. Наибольшему загрязнению подверглась территория умеренных широт Северного полушария.

Малый или биологический круговорот веществ развертывается на фоне большого, геологического, охватывающего биосферу в целом. Он происходит внутри экосистем, но не замкнут, что связано с поступлением вещества и энергии в экосистему извне и с выходом части их в биосферный круговорот. По этой причине иногда говорят не о биологическом круговороте, а об обмене энергии в экосистемах и отдельных организмах.

Растения, животные и почвенный покров на суше образуют сложную мировую систему, которая формирует биомассу, связывает и перераспределяет солнечную энергию, углерод атмосферы, влагу, кислород, водород, азот, фосфор, серу, кальций и другие элементы, участвующие в жизнедеятельности организмов. Растения, животные и микроорганизмы водной среды образуют другую планетарную систему, выполняющую ту же функцию связывания солнечной энергии и биологического круговорота веществ.

Суть биологического круговорота заключается в протекании двух противоположных, но взаимосвязанных процессов - созидания органического вещества и его разрушения. Начальный этап возникновения органического вещества обусловлен фотосинтезом зеленых растений, т.е. образованием этого вещества из углекислого газа, воды и минеральных соединений с использованием лучистой энергии Солнца. Растения извлекают из почвы в растворенном виде серу, фосфор, кальций, калий, магний, марганец, кремний, алюминий, медь, цинк и другие элементы. Растительноядные животные поглощают уже соединения этих элементов в виде пищи растительного происхождения. Хищники питаются растительноядными животными, потребляют пищу более сложного состава, включая белки, жиры, аминокислоты и др. В процессе разрушения микроорганизмами органического вещества отмерших растений и остатков животных в почву и водную среду поступают простые минеральные соединения, доступные для усвоения растениями, и начинается следующий виток биологического круговорота.

В отличие от большого круговорота малый имеет разную продолжительность: различают сезонные, годовые, многолетние и вековые малые круговороты. При изучении биологического круговорота веществ основное внимание уделяется годовому ритму, определяемому годичной динамикой развития растительного покрова.

Большой (геологический) и малый (биогеохимические) круговорот веществ

Все вещества на нашей планете находятся в процессе круговорота. Солнечная энергия вызывает на Земле два круговорота веществ:

Большой (геологический или абиотический);

Малый (биотический, биогенный или биологический).

Круговороты веществ и потоки космической энергии создают устойчивость биосферы. Круговорот твердого вещества и воды, происходящий в результате действия абиотических факторов (неживой природы), называют большим геологическим круговоротом. При большом геологическом круговороте (протекает миллионы лет) горные породы разрушаются, выветриваются, вещества растворяются и попадают в Мировой океан; протекают геотектонические изменения, опускание материков, поднятие морского дна. Время круговорота воды в ледниках 8 000 лет, в реках - 11 дней. Именно большой круговорот поставляет живым организмам элементы питания и во многом определяет условия их существования.

Большой, геологический круговорот в биосфере характеризуется двумя важными моментами: кислород углерод геологический

• а) осуществляется на протяжении всего геологического развития Земли;
• б) представляет собой современный планетарный процесс, принимающий ведущее участие в дальнейшем развитии биосферы.

На современном этапе развития человечества в результате большого круговорота на большие расстояния переносятся также загрязняющие вещества - оксиды серы и азота, пыль, радиоактивные примеси. Наибольшему загрязнению подверглись территории умеренных широт Северного полушария.

Малый, биогенный или биологический круговорот веществ происходит в твердой, жидкой и газообразных фазах при участии живых организмов. Биологический круговорот в противоположность геологическому требует меньших затрат энергии. Малый круговорот является частью большого, происходит на уровне биогеоценозов (внутри экосистем) и заключается в том, что питательные вещества почвы, вода, углерод аккумулируются в веществе растений, расходуются на построение тела. Продукты распада органического вещества разлагаются до минеральных компонентов. Малый круговорот незамкнут, что связано с поступлением веществ и энергии в экосистему извне и с выходом части их в биосферный круговорот.

В большом и малом круговоротах участвует множество химических элементов и их соединений, но важнейшими из них являются те, которые определяют современный этап развития биосферы, связанный с хозяйственной деятельностью человека. К ним относятся круговороты углерода, серы и азота (их оксиды - главнейшие загрязнители атмосферы), а также фосфора (фосфаты - главный загрязнитель материковых вод). Практически все загрязняющие вещества выступают как вредные, и их относят к группе ксенобиотиков. В настоящее время большое значение имеют круговороты ксенобиотиков - токсичных элементов - ртути (загрязнитель пищевых продуктов) и свинца (компонент бензина). Кроме того, из большого круговорота в малый поступают многие вещества антропогенного происхождения (ДДТ, пестициды, радионуклиды и др.), которые причиняют вред биоте и здоровью человека.

Суть биологического круговорота заключается в протекании двух противоположных, но взаимосвязанных процессов - созидания органического вещества и его разрушения живым веществом.

В отличие от большого круговорота малый имеет разную продолжительность: различают сезонные, годовые, многолетние и вековые малые круговороты. Круговорот химических веществ из неорганической среды через растительность и животных обратно в неорганическую среду с использованием солнечной энергии химических реакций называется биогеохимическим циклом.

Настоящее и будущее нашей планеты зависит от участия живых организмов в функционировании биосферы. В круговороте веществ живое вещество, или биомасса, выполняет биогеохимические функции: газовую, концентрационную, окислительно-восстановительную и биохимическую.

Биологический круговорот происходит при участии живых организмов и заключается в воспроизводстве органического вещества из неорганического и разложении этого органического до неорганического посредством пищевой трофической цепи. Интенсивность продукционных и деструкционных процессов в биологическом круговороте зависит от количества тепла и влаги. Например, низкая скорость разложения органического вещества полярных районов зависит от дефицита тепла.

Важным показателем интенсивности биологического круговорота является скорость обращения химических элементов. Интенсивность характеризуется индексом, равным отношению массы лесной подстилки к опаду. Чем больше индекс, тем меньше интенсивность круговорота.

Индекс в хвойных лесах - 10 - 17; широколиственных 3 - 4; саванне не более 0,2; влажных тропических лесах не более 0,1 , т.е. здесь биологический круговорот наиболее интенсивный.

Поток элементов (азота, фосфора, серы) через микроорганизмы на порядок выше, чем через растения и животных. Биологический круговорот не является полностью обратимым, он тесно связан с биогеохимическим круговоротом. Химические элементы циркулируют в биосфере по различным путям биологического круговорота:

• - поглощаются живым веществом и заряжаются энергией;
• - покидают живое вещество, выделяя энергию во внешнюю среду.

Эти циклы бывают двух типов: круговорот газообразных веществ; осадочный цикл (резерв в земной коре).

Сами круговороты состоят из двух частей:

• - резервного фонда (это часть вещества, не связанная с живыми организмами);
• - подвижного (обменного) фонда (меньшая часть вещества, связанная с прямым обменом между организмами и их непосредственным окружением).

Круговороты делят на:

• - круговороты газового типа с резервным фондом в земной коре (круговороты углерода, кислорода, азота) - способны к быстрой саморегуляции;
• - круговороты осадочного типа с резервным фондом в земной коре (круговороты фосфора, кальция, железа и др.) - более инертны, основная масса вещества находится в «недоступном» живым организмам виде.

Круговороты также можно разделить на:

• - замкнутые (круговорот газообразных веществ, например, кислорода, углерода и азота - резерв в атмосфере и гидросфере океана, поэтому нехватка быстро компенсируется);
• - незамкнутые (создающие резервный фонд в земной коре, например, фосфор - поэтому потери плохо компенсируются, т.е. создается дефицит).

Энергетической основой существования биологических круговоротов на Земле и их начальным звеном является процесс фотосинтеза. Каждый новый цикл круговорота не является точным повторением предыдущего. Например, в ходе эволюции биосферы часть процессов имела необратимый характер, в результате чего происходило образование и накопление биогенных осадков, увеличение количества кислорода в атмосфере, изменение количественных соотношений изотопов ряда элементов и т.д.

Циркуляцию веществ принято называть биогеохимическими циклами. Основные биогеохимические (биосферные) циклы веществ: цикл воды, цикл кислорода, цикл азота (участие бактерий-азотфиксаторов), цикл углерода (участие аэробных бактерий; ежегодно около 130 т углерода сбрасывается в геологический цикл), цикл фосфора (участие почвенных бактерий; ежегодно в океаны вымывается 14 млн.т фосфора), цикл серы, цикл катионов металлов.

Круговорот воды

Круговорот воды - замкнутый цикл, который может совершаться, как было сказано выше, и в отсутствии жизни, но живые организмы видоизменяют его.

Круговорот основан на принципе: суммарное испарение компенсируется выпадением осадков. Для планеты в целом испарение и осадки уравновешивают друг друга. При этом из океана испаряется воды больше, чем возвращается с осадками. На суше, наоборот, больше выпадает осадков, но излишек стекает в озера и реки, а оттуда снова в океан. Баланс влаги между континентами и океанами поддерживается речным стоком.

Таким образом, глобальный гидрологический цикл имеет четыре основных потока: осадки, испарение, влагоперенос, транспирация.

Вода - самое распространенное вещество в биосфере - служит не только средой обитания для многих организмов, но и является составной частью тела всех живых существ. Несмотря на огромное значение воды во всех жизненных процессах, происходящих в биосфере, живое вещество не играет определяющей роли в большом круговороте воды на земном шаре. Движущей силой этого круговорота является энергия солнца, которая тратится на испарение воды с поверхности водяных бассейнов или суши. Испарившаяся влага конденсируется в атмосфере в виде облаков, переносимых ветром; при охлаждении облаков выпадают осадки.

Общее количество свободной несвязанной воды (доля океанов и морей, где жидкая соленая вода), приходится от 86 до 98 %. Остальное количество воды (пресная вода) хранится в полярных шапках и ледниках и образует водные бассейны и ее грунтовые воды. Выпадающие на поверхность суши, покрытой растительностью, осадки частично задерживаются листовой поверхностью и в дальнейшем испаряются в атмосферу. Влага, достигшая почвы, может присоединиться к поверхностному стоку или поглотиться почвой. Полностью поглотившись почвой (это зависит от типа почв, особенности горных пород и растительного покрова), избыток осадка может просочиться вглубь, к грунтовым водам. Если количество выпавших осадков превышает влагоемкость верхних слоев почвы, начинается поверхностный сток, скорость которого зависит от состояния почвы, крутизны склона, продолжительности осадков и характера растительности (растительность может предохранить почву от водной эрозии). Вода, задержавшаяся в почве, может испаряться с ее поверхности или, после поглощения корнями растений, транспирироваться (испаряться) в атмосферу через листья.

Транспирационный ток воды (почва - корни растений - листья -атмосфера) представляет собой основной путь воды через живое вещество в ее большом круговороте на нашей планете.

Круговорот углерода

От свойств и особенностей углерода зависит все многообразие органических веществ, биохимических процессов и жизненных форм на Земле. Содержание углерода в большинстве живых организмов составляет около 45 % от сухой их биомассы. В круговороте органического вещества и всего углерода Земли участвует все живое вещество планеты, которое непрерывно возникает, видоизменяется, погибает, разлагается и в такой последовательности происходит перенос углерода с одного органического вещества на построение другого по цепи питания. Кроме того, все живое дышит, выделяя углекислый газ.

Круговорот углерода на суше. Круговорот углерода поддерживается благодаря фотосинтезу наземными растениями и океанским фитопланктоном. Поглощая углекислоту (фиксируя неорганический углерод), растения с помощью энергии солнечного света преобразуют ее в органические соединения - создавая свою биомассу. Ночью же растения, как и все живое, дышат, выделяя углекислый газ.

Отмершие растения, трупы и экскременты животных служат пищей для многочисленных гетеротрофных организмов (животных, растений-сапрофитов, грибов, микроорганизмов). Все эти организмы обитают в основном в почве и в процессе жизнедеятельности создают свою биомассу, в состав которой входит органический углерод. Они также выделяют углекислый газ, создавая «почвенное дыхание». Часто мертвое органическое вещество не полностью разлагается и в почвах накапливается гумус (перегной), играющий важную роль в плодородии почв. Степень минерализации и гумификации органических веществ зависит от многих факторов: влажности, температуры, физических свойств почвы, состава органических остатков и т.д. Под действием бактерий и грибов гумус может разлагаться до углекислоты и минеральных соединений.

Круговорот углерода в Мировом океане. Круговорот углерода в океане отличается от круговорота на суше. В океане слабое звено организмов высших трофических уровней, следовательно, и все звенья круговорота углерода. Время прохождения углерода через трофическое звено океана непродолжительно, а количество выделяемого углекислого газа незначительно.

Океан выполняет роль основного регулятора содержания углекислого газа в атмосфере. Между океаном и атмосферой происходит интенсивный обмен углекислого газа. Воды океана имеют большую растворяющую способность и буферную емкость. Система, состоящая из угольной кислоты и ее солей (карбонатов) является своеобразным депо углекислоты, связана с атмосферой через диффузию СО? из воды в атмосферу и обратно.

В океане днем интенсивно протекает фотосинтез фитопланктона, при этом свободная углекислота усиленно расходуется, карбонаты служат дополнительным источником ее образования. Ночью при увеличении содержания свободной кислоты за счет дыхания животных и растений значительная ее часть снова входит в состав карбонатов. Происходящие процессы идут в направлениях: живое вещество? СО?? Н?СО?? Са(НСО?)?? СаСО?.

В природе некоторое количество органического вещества не подвергается минерализации в результате недостатка кислорода, большой кислотности среды, специфических условий захоронения и т.д. Часть углерода выходит из биологического круговорота в виде неорганических (известняки, мел, кораллы) и органических (сланцы, нефть, уголь) отложений.

Деятельность человека вносит существенные изменения в круговорот углерода на нашей планете. Изменяются ландшафты, типы растительности, биоценозы и их пищевые цепи, осушаются или орошаются огромные площади поверхности суши, улучшается (или ухудшается) плодородие почв, вносятся удобрения и пестициды и т.д. Наиболее опасно поступление углекислого газа в атмосферу в результате сжигания топлива. При этом увеличивается скорость круговорота углерода и укорачивается его цикл.

Круговорот кислорода

Кислород является обязательным условием существования жизни на Земле. Он входит практически во все биологические соединения, участвует в биохимических реакциях окисления органических веществ, обеспечивающих энергией все процессы жизнедеятельности организмов биосферы. Кислород обеспечивает дыхание животных, растений и микроорганизмов в атмосфере, почве, воде, участвует в химических реакциях окисления, происходящих в горных породах, почвах, илах, водоносных горизонтах.

Основные ветви круговорота кислорода:

• - образование свободного кислорода при фотосинтезе и его поглощение в процессе дыхания живых организмов (растений, животных, микроорганизмов в атмосфере, почве, воде);
• - образование озонового экрана;
• - создание окислительно-восстановительных зональностей;
• - окисление окиси углерода при извержении вулканов, накопление сульфатных осадочных пород, расход кислорода в человеческой деятельности и т.д.; везде участвует молекулярный кислород фотосинтеза.

Круговорот азота

Азот входит в состав биологически важных органических веществ всех живых организмов: белков, нуклеиновых кислот, липопротеидов, ферментов, хлорофилла и т.д. Несмотря на содержание азот (79 %) в составе воздуха, он является дефицитным для живых организмов.

Азот в биосфере находится в недоступной для организмов газообразной форме (N2) - химически мало активной, поэтому он не может непосредственно использоваться высшими растениями (и большинством низших растений) и животным миром. Растения усваивают азот из почвы в виде ионов аммония или нитратных ионов, т.е. так называемый фиксированный азот.

Различают атмосферную, промышленную и биологическую фиксации азота.

Атмосферная фиксация происходит при ионизации атмосферы космическими лучами и при сильных электрических разрядах во время гроз, при этом из молекулярного азота воздуха образуются оксиды азота и аммиака, которые благодаря атмосферным осадкам превращаются в аммонийный, нитритный, нитратный азот и попадают в почву и водные бассейны.

Промышленная фиксация происходит в результате хозяйственной деятельности человека. Атмосфера загрязняется соединениями азота заводами, производящими азотные соединения. Горячие выбросы ТЭЦ, заводов, космических аппаратов, сверхзвуковых самолетов окисляют азот воздуха. Оксиды азота, взаимодействуя с парами воды воздуха с осадками возвращаются на землю, попадают в почву в ионной форме.

Биологическая фиксация играет основную роль в круговороте азота. Ее осуществляют почвенные бактерии:

• - азотфиксирующие бактерии (и сине-зеленые водоросли);
• - микроорганизмы, живущие в симбиозе с высшими растениями (клубеньковые бактерии);
• - аммонифицирующие;
• - нитрифицирующие;
• - денитрифицирующие.

Свободно живущие в почве азотфиксирующие аэробные (существующие в присутствии кислорода) бактерии (Azotobacter) способны осуществлять фиксацию молекулярного азота атмосферы за счет энергии, получаемой при окислении органических веществ почвы в процессе дыхания, в конечном итоге связывая его с водородом и вводя в виде аминогруппы (-NH2) в состав аминокислот своего тела. Молекулярный азот способен фиксировать и некоторые анаэробные (живущие в отсутствие кислорода) бактерии, существующие в почве (Clostridium). Отмирая, и те и другие микроорганизмы обогащают почву органическим азотом.

К биологической фиксации молекулярного азота способны и сине-зеленые водоросли, особенно важные для почв рисовых полей.

Наиболее эффективно биологическая фиксация атмосферного азота протекает у бактерий, живущих в симбиозе в клубеньках бобовых растений (клубеньковые бактерии).

Эти бактерии (Rizobium) используют энергию растения-хозяина для фиксации азота, в то же время снабжая наземные органы хозяина доступными ему соединениями азота.

Усваивая соединения азота из почвы в нитратной и аммонийной формах, растения строят необходимые азотсодержащие соединения своего тела (нитратный азот в клетках растений предварительно восстанавливается). Растения-продуценты снабжают азотистыми веществами весь животный мир и человечество. Погибшие растения используются, согласно трофической цепи, биоредуцентами.

Аммонифицирующие микроорганизмы разлагают органические вещества, содержащие азот (аминокислоты, мочевину), с образованием аммиака. Часть органического азота в почве не минерализуется, а превращается в гумусовые вещества, битумы и компоненты осадочных пород.

Аммиак (в виде аммонийного иона) может поступить в корневую систему растений, или использоваться в процессах нитрификации.

Нитрифицирующие микроорганизмы являются хемосинтетиками, используют энергию окисления аммиака до нитратов и нитритов до нитратов для обеспечения всех процессов жизнедеятельности. За счет этой энергии нитрификаторы восстанавливают углекислый газ и строят органические вещества своего тела. Окисление аммиака при нитрификации протекает по реакциям:

NH? + 3O? ? 2HNO? + 2H?O + 600 кДж (148 ккал).

HNO? + O? ? 2HNO? + 198 кДж (48 ккал).

Нитраты, образовавшиеся в процессах нитрификации, вновь поступают в биологический круговорот, поглощаются из почвы корнями растений или после поступления с водным стоком в водные бассейны- фитопланктоном и фитобентосом.

Наряду с организмами, фиксирующими атмосферный азот и нитрифицирующие его, в биосфере существуют микроорганизмы, способные восстанавливать нитраты или нитриты до молекулярного азота. Такие микроорганизмы, называемые денитрификаторами, при недостатке свободного кислорода в водах или почве используют кислород нитратов для окисления органических веществ:

C?H??O?(глюкоза) + 24KNO? ? 24KHCO? + 6CO? + 12N? + 18H?O + энергия

Освобождающаяся при этом энергия служит основой всей жизнедеятельности денитрифицирующих микроорганизмов.

Таким образом, во всех звеньях круговорота исключительную роль играют живые вещества.

В настоящее время все большую роль в азотном балансе почв и, следовательно, во всем круговороте азота в биосфере играет промышленная фиксация атмосферного азота человеком.

Круговорот фосфора

Круговорот фосфора более прост. В то время как резервуаром азота служит воздух, резервуар фосфора - это горные породы, из которых он высвобождается при эрозии.

Углерод, кислород, водород и азот легче и быстрее мигрируют в атмосфере, так как находятся в газообразной форме, образуя в биологических круговоротах газообразные соединения. Для всех остальных элементов, кроме серы необходимых для существования живого вещества, в биологических круговоротах нехарактерно образование газообразных соединений. Эти элементы мигрируют в основном в виде ионов и молекул, растворенных в воде.

Фосфор, усваиваемый растениями в виде ионов ортофосфорной кислоты принимает большое участие в жизнедеятельности всех живых организмов. Он входит в состав АДФ, АТФ, ДНК, РНК и др. соединения.

Круговорот фосфора в биосфере является незамкнутым. В наземных биогеоценозах фосфор после поглощения растениями из почвы по пищевой цепи вновь поступает в виде фосфатов в почву. Основное количество фосфора вновь поглощается корневой системой растений. Частично фосфор может вымываться со стоком дождевых вод из почвы в водные бассейны.

В естественных биогеоценозах часто испытывается недостаток фосфора, причем в щелочной и окисленной среде он находится обычно в виде нерастворимых соединений.

Большое количество фосфатов содержат горные породы литосферы. Часть их постепенно переходит в почву, часть разрабатывается человеком для производства фосфорных удобрений, большая часть выщелачивается и вымывается в гидросферу. Там они используются фитопланктоном и связанными с ними организмами, находящимися на разных трофических уровнях сложных пищевых цепей.

В Мировом океане потери фосфатов из биологического круговорота происходят за счет отложений остатков растений и животных на больших глубинах. Поскольку фосфор перемещается, в основном, из литосферы в гидросферу с водой, то в литосферу он мигрирует биологическим путем (поедание рыб морскими птицами, использование бентосных водорослей и рыбной муки в качестве удобрения и т.д.).

Из всех элементов минерального питания растений фосфор можно считать дефицитным.

Круговорот серы

Для живых организмов сера играет большое значение, т. к. она входит в состав серосодержащих аминокислот (цистина, цистеина, метионина и др.). Находясь в составе белков, серосодержащие аминокислоты поддерживают необходимую трехмерную структуру белковых молекул.

Сера усваивается растениями из почвы только в окисленной форме, в виде иона. В растениях сера восстанавливается и входит в состав аминокислот в виде сульфгидрильных (-SH) и дисульфидных (-S-S-) групп.

Животные усваивают только восстановленную серу, находящуюся в составе органических веществ. После отмирания растительных и животных организмов сера возвращается в почву, где в результате деятельности многочисленных форм микроорганизмов подвергается преобразованиям.

В аэробных условиях некоторые микроорганизмы окисляют органическую серу до сульфатов. Сульфатные ионы, абсорбируясь корнями растений, вновь включаются в биологический круговорот. Часть сульфатов может включаться в водную миграцию и выноситься из почвы. В почвах, богатых гумусовыми веществами, значительное количество серы находится в органических соединениях, что препятствует ее вымыванию.

В анаэробных условиях при разложении органических соединений серы образуется сероводород. Если сульфаты и органические вещества находятся в бескислородной среде, то активируется деятельность сульфатредуцирующих бактерий. Они используют кислород сульфатов для окисления органических веществ и получают таким образом необходимую для своего существования энергию.

Сульфатредуцирующие бактерии распространены в подземных водах, в илах и застойных морских водах. Сероводород является ядом для большинства живых организмов, поэтому его накопление в залитой водой почве, озерах, лиманах и т.д. значительно снижает или даже полностью прекращает жизненные процессы. Такое явление наблюдается в Черном море на глубине ниже 200 м от его поверхности.

Таким образом, для создания благоприятной среды необходимо окисление сероводорода до сульфатных ионов, что уничтожит вредное действие сероводорода, сера перейдет в доступную для растений форму - в виде сернокислых солей. Эту роль выполняет в природе особая группа серобактерий (бесцветные, зеленые, пурпурные) и тионовые бактерии.

Бесцветные серобактерии являются хемосинтетиками: они используют энергию, получаемую при окислении кислородом сероводорода до элементарной серы и при дальнейшем ее окислении до сульфатов.

Окрашенные серобактерии являются фотосинтезирующими организмами, которые используют сероводород в качестве донора водорода для восстановления углекислоты.

Образующаяся элементарная сера у зеленых серобактерий выделяется из клеток, у пурпурных накапливается внутри клеток.

Суммарная реакция этого процесса - фоторедукция:

СО?+ 2H?S свет? (CH?O)+ H?O +2S.

Тионовые бактерии окисляют за счет свободного кислорода элементарную серу и ее различные восстановленные соединения до сульфатов, возвращая ее снова в основное русло биологического круговорота.

В процессах биологического круговорота, где происходит превращение серы, огромную роль играют живые организмы, особенно микроорганизмы.

Главным накопителем серы на нашей планете является Мировой океан, т. к. в него из почвы непрерывно поступают сульфат-ионы. Часть серы из океана возвращается на сушу через атмосферу по схеме сероводород - окисление его до двуокиси серы - растворение последней в дождевой воде с образованием серной кислоты и сульфатов - возвращение серы с атмосферными осадками в почвенный покров Земли.

Круговорот неорганических катионов

Жизненно важными кроме основных элементов, входящих в состав живых организмов (углерода, кислорода, водорода, фосфора и серы), являются и многие другие макро- и микроэлементы - неорганические катионы. В водных бассейнах растения получают необходимые им катионы металлов непосредственно из окружающей среды. На суше главным источником неорганических катионов служит почва, которая получила их в процессе разрушения материнских пород. В растениях поглощенные корневыми системами катионы передвигаются в листья и другие органы; некоторые из них (магний, железо, медь и ряд других) входят в состав биологически важных молекул (хлорофилла, ферментов); другие, оставаясь в свободном виде, участвуют в поддержании необходимых коллоидных свойств протоплазмы клеток и выполняют иные разнообразные функции.

При отмирании живых организмов неорганические катионы в процессе минерализации органических веществ возвращаются в почву. Потери этих компонентов из почвы происходят в результате выщелачивания и выноса катионов металлов с дождевыми водами, отторжения и выноса органического вещества человеком при возделывании сельскохозяйственных растений, рубке леса, скашивании трав на корм скоту и т.д.

Рациональное применение минеральных удобрений, мелиорация почв, внесение органических удобрений, правильная агротехника помогут восстановить и поддержать баланс неорганических катионов в биоценозах биосферы.

Антропогенный круговорот: круговорот ксенобиотиков (ртути, свинца, хрома)

Человечество является частью природы и может существовать только в постоянном взаимодействии с ней.

Существуют сходства и противоречия между естественным и антропогенным круговоротом веществ и энергии, совершающихся в биосфере.

Естественный (биогеохимический) круговорот жизни имеет следующие особенности:

• - использование солнечной энергии в качестве источника жизни и все ее проявления на основе термодинамических законов;
• - он осуществляется безотходно, т.е. все продукты его жизнедеятельности, минерализуются и снова включаются в следующий цикл круговорота веществ. При этом за пределы биосферы удаляется отработанная, обесцененная тепловая энергия. При биогеохимическом круговороте веществ образуются отходы, т.е. запасы в виде каменного угля, нефти, газа и других минеральных ресурсов. В отличие от безотходного естественного круговорота антропогенный круговорот сопровождается увеличивающимися с каждым годом отходами.

В природе нет ничего бесполезного или вредного, даже от вулканических извержений есть польза, т. к. с вулканическими газами в воздух поступают нужные элементы (например, азот).

Существует закон глобального замыкания биогеохимического круговорота в биосфере, действующий на всех этапах ее развития, как и правило увеличения замкнутости биогеохимического круговорота в ходе сукцессии.

Огромную роль на биогеохимический круговорот оказывает человек, но в противоположном направлении. Человек нарушает сложившиеся круговороты веществ, и в этом проявляется его геологическая сила - разрушительная по отношению к биосфере. В результате антропогенной деятельности степень замкнутости биогеохимических круговоротов уменьшается.

Антропогенный круговорот не ограничивается энергией солнечного света, улавливаемой зелеными растениями планеты. Человечество использует энергию топлива, гидро- и атомных станций.

Можно утверждать, что антропогенная деятельность на современном этапе представляет собой огромную разрушительную для биосферы силу.

Биосфера обладает особенным свойством - значительной устойчивостью по отношению к загрязняющим веществам. Эта устойчивость основана на естественной способности различных компонентов природной среды к самоочищению и самовосстановлению. Но не безгранично. Возможный глобальный кризис вызвал необходимость построения математической модели биосферы как единого целого (система «Гея») с целью получения информации о возможном состоянии биосферы.

Ксенобиотик - чужеродное для живых организмов вещество, появляющееся в результате антропогенной деятельности (пестициды, препараты бытовой химии и другие загрязнители), способное вызывать нарушение биотических процессов, в т.ч. заболевание или гибель организма. Такие загрязнители не подвергаются биодеградации, а аккумулируются в трофических цепях.

Ртуть - весьма редкий элемент. Она рассеяна в земной коре и только в немногих минералах, таких как киноварь, содержится в концентрированном виде. Ртуть участвует в круговороте вещества в биосфере, мигрируя в газообразном состоянии и в водных растворах.

В атмосферу она поступает из гидросферы при испарении, при выделении из киновари, с вулканическими газами и газами из термальных источников. Часть газообразной ртути в атмосфере переходит в твердую фазу и удаляется из воздушной среды. Выпавшая ртуть поглощается почвами, особенно глинистыми, водой и горными породами. В горючих полезных ископаемых - нефти и каменном угле - ртути содержится до 1 мг/кг. В водной массе океанов примерно 1,6 млрд. т, в донных осадках - 500 млрд.т, в планктоне - 2 млн.т. Речными водами ежегодно с суши выносится около 40 тыс.т, что в 10 раз меньше, чем поступает в атмосферу при испарении (400 тыс.т). На поверхность суши ежегодно выпадает около 100 тыс.т.

Ртуть из естественного компонента природной среды превратилась в один из наиболее опасных для здоровья человека техногенных выбросов в биосферу. Она широко применяется в металлургии, в химической, электротехнической, электронной, целлюлозно-бумажной и фармацевтической промышленности и используется для производства взрывчатых веществ, лаков и красок, а также в медицине. Промышленные стоки и атмосферные выбросы, наряду с ртутными рудниками, заводами по производству ртути и теплоэнергетическими предприятиями (ТЭЦ и котельные), использующими уголь, нефть и нефтепродукты, являются основными источниками загрязнения биосферы этим токсичным компонентом. Кроме того, ртуть входит в состав ртутьорганических пестицидов, используемых в сельском хозяйстве для протравливания семян и защиты культур от вредителей. В организм человека попадает с продуктами питания (яйца, протравленное зерно, мясо животных и птиц, молоко, рыба).

Ртуть в воде и донных отложениях рек

Установлено, что около 80 % ртути, поступающей в природные водоемы, находится в растворенной форме, что в конечном итоге способствует ее распространению на большие расстояния вместе с потоками воды. Чистый элемент не токсичен.

Ртуть содержится в воде придонного ила чаще в относительно безвредных концентрациях. Неорганические соединения ртути превращаются в токсичные органические соединения ртути, такие как метилртуть CH?Hg и этилртуть C?H?Hg, благодаря бактериям, живущим в детритах и осадках, в донном иле озер и рек, в слизи, покрывающей тела рыб, а также в слизи рыбьего желудка. Эти соединения легко растворимы, подвижны и очень ядовиты. Химической основой агрессивного действия ртути является ее сродство с серой, в частности с сероводородной группой в белках. Эти молекулы связываются с хромосомами и клетками головного мозга. Рыбы и моллюски могут накапливать их до концентраций опасных для человека, употребляющего их в пищу, вызывая болезнь "Минамата".

Металлическая ртуть и ее неорганические соединения действуют, в основном, на печень, почки и кишечный тракт, однако в обычных условиях сравнительно быстро выводятся из организма и опасное для организма человека количество не успевает накопиться. Метилртуть и другие алкильные соединения ртути являются гораздо более опасными, т. к. происходит кумуляция - токсин поступает в организм быстрее, чем выводится из организма, действуя на центральную нервную систему.

Донные отложения являются важной характеристикой водных экосистем. Аккумулируя тяжелые металлы, радионуклиды и высокотоксичные органические вещества, донные отложения, с одной стороны, способствуют самоочищению водных сред, а с другой - представляют собой постоянный источник вторичного загрязнения водоемов. Донные отложения - перспективный объект анализа, отражающий многолетнюю картину загрязнения (особенно в малопроточных водоемах). Причем накопление неорганической ртути в донных отложениях наблюдается особенно в устьях рек. Может возникнуть напряженная ситуация, когда адсорбционная способность отложений (ила, осадков) будет исчерпана. Когда будет достигнута адсорбционная емкость, тяжелые металлы, в т.ч. ртуть начнут поступать в воду.

Известно, что в морских анаэробных условиях в отложениях отмерших водорослей ртуть присоединяет водород и переходит в летучие соединения.

При участии микроорганизмов может метилироваться в две стадии металлическая ртуть:

CH?Hg+ ? (CH?)?Hg

Метилртуть в окружающей среде появляется практически только при метилировании неорганической ртути.

Биологический период полувыведения ртути велик, он составляет для большинства тканей организма человека 70-80 дней.

Известно, что в начале пищевой цепочки происходит загрязнение ртутью крупных рыб, например меч-рыбы, тунца. Не безинтересно при этом отметить, что в еще большей степени, чем в рыбах, ртуть накапливается (аккумулируется) в устрицах.

Ртуть попадает в организм человека при дыхании, с пищей и через кожу по следующей схеме:

Во-первых, происходит транформация ртути. Этот элемент встречается в природе в нескольких формах.

Металлическая ртуть, применяемая в термометрах, и ее неорганические соли (например, хлорид) выводятся из организма сравнительно быстро.

Гораздо более ядовиты алкильные соединения ртути, в частности метил- и этилртуть. Эти соединения очень медленно выводятся из организма - за сутки всего лишь около 1% общего количества. Хотя большая часть ртути, попадающей в природные воды, содержится там в виде неорганических соединений, в рыбе она всегда оказывается в форме гораздо ядовитой метилртути. Бактерии в донном иле озер и рек, в слизи, покрывающей тела рыб, а также в слизи рыбьего желудка способны превращать неорганические соединения ртути в метилртуть.

Во-вторых, избирательное накопление, или биологическое накопление (концентрирование), повышает содержание ртути в рыбе и моллюсках до уровней во много раз выше, чем в воде залива. Рыбы и моллюски, обитающие в реке, накапливают метилртуть до концентраций, опасных для человека, использующего их в пищу.

% мирового улова рыбы содержит ртуть в количестве не более 0,5 мг/кг, а 95% - ниже 0,3 мг/кг. Почти вся ртуть в рыбе находится в виде метилртути.

Учитывая разную токсичность ртутных соединений для человека в пищевых продуктах необходимо определять неорганическую (общую) и органически связанную ртуть. У нас определяется только общее содержание ртути. По медико-биологическим требованиям содержание ртути в пресноводной хищной рыбе допускается 0,6 мг/кг, в морской - 0,4 мг/кг, в пресноводной не хищной только 0,3 мг/кг, а в тунцовых до 0,7 мг/кг. В продуктах детского питания содержание ртути не должно превышать 0,02 мг/кг в мясных консервах, 0,15 мг/кг в рыбных консервах, в остальных - 0,01 мг/кг.

Свинец присутствует практически во всех компонентах природной среды. В земной коре его содержится 0,0016 %. Естественный уровень свинца в атмосфере 0,0005 мг/м3. Большая часть его осаждается с пылью, примерно 40 % выпадает с атмосферными осадками. Растения получают свинец из почвы, воды и атмосферных выпадений, а животные - потребляя растения и воду. В организм человека металл попадает вместе с пищей, водой и пылью.

Основным источником загрязнения биосферы свинцом являются бензиновые двигатели, выхлопные газы которых содержат триэтилсвинец, теплоэнергетические предприятия, сжигающие каменный уголь, горнодобывающая, металлургическая и химическая промышленность. Значительное количество свинца вносится в почву вместе со сточными водами, используемыми в качестве удобрения. Для тушения горящего реактора Чернобыльской АЭС также использовался свинец, который поступил в воздушный бассейн и рассеялся на обширных территориях. При увеличении загрязнения окружающей среды свинцом возрастает его отложение в костях, волосах, печени.

Хром. Наиболее опасен токсичный хром (6+), который мобилизуется в кислых и щелочных почвах, в пресных и морских водах. В морской воде хром на 10 - 20 % представлен формой Cr (3+), на 25 - 40 % - Cr (6+), на 45 - 65 % - органической формой. В интервале рН 5 - 7 преобладает Cr (3+), а при рН > 7 - Cr (6+). Известно, что Cr (6+) и органические соединения хрома не соосаждаются с гидроксидом железа в морской воде.

Природные круговороты веществ являются практически замкнутыми. В естественных экосистемах вещество и энергия расходуются экономно и отходы одних организмов служат важным условием существования других. Антропогенный круговорот веществ сопровождается огромным расходом природных ресурсов и большим количеством отходов, вызывающих загрязнение окружающей среды. Создание даже самых совершенных очистных сооружений, не решает проблему, поэтому необходимо разрабатывать мало- и безотходные технологии, позволяющие сделать как можно более замкнутым антропогенный круговорот. Теоретически можно создать безотходную технологию, однако реальны малоотходные технологии.

Адаптация к природным явлениям

Адаптации - различные приспособления к среде обитания, выработавшиеся у организмов (от наипростейших до высших) в процессе эволюции. Способность к адаптации - одно из основных свойств живых, обеспечивающих возможность своего существования.

К основным факторам, развивающим процесс адаптации относятся: наследственность, изменчивость, естественный (и искусственный) отбор.

Толерантность может измениться, если организм попадает в иные внешние условия. Попадая в такие условия, он через некоторое время как бы привыкает, адаптируется к ним (от лат. адаптацио - приспособлять). Следствием этого является изменение положений физиологического оптимума.

Свойство организмов адаптироваться к существованию в том или ином диапазоне экологического фактора называется экологической пластичностью.

Чем шире диапазон экологического фактора, в пределах которого данный организм может жить, тем больше его экологическая пластичность. По степени пластичности выделяют два типа организмов: стенобионтные (стеноэки) и эврибионтные (эвриэки). Таким образом, стенобионты экологически непластичны (например, камбала живет только в соленой воде, а карась только в пресной), т.е. маловыносливы, а эврибионты экологически пластичны, т.е. более выносливы (например, трехиглая колюшка может жить как в пресных, так и в соленых водах).

Адаптации многомерны, так как организм должен одновременно соответствовать многим различным факторам окружающей среды.

Существует три основных пути приспособления организмов к условиям окружающей среды: активный; пассивный; избегание неблагоприятных воздействий.

Активный путь адаптации - усиление сопротивляемости, развитие регуляторных процессов, позволяющих осуществлять все жизненные функции организма, несмотря на отклонения фактора от оптимума. Например, теплокровные животные поддерживают постоянную температуру тела - оптимальную для биохимических процессов, протекающих в нем.

Пассивный путь адаптации - подчинение жизненных функций организмов изменению факторов среды. Например, при неблагоприятных условиях среды многие организмы переходят в состояние анабиоза (скрытой жизни), при котором практически останавливается обмен веществ в организме (состояние зимнего покоя, оцепенение насекомых, спячка, сохранение спор в почве в виде спор и семян).

Избегание неблагоприятных воздействий - выработка приспособлений, поведения организмов (адаптации), которые помогают избежать неблагоприятные условия. При этом адаптации могут быть: морфологические (изменяется строение организма: видоизменение листьев у кактуса), физиологические (верблюд обеспечивает себя влагой за счет окисления запасов жира), этологические (изменения поведения: сезонные миграции птиц, спячка зимой).

Живые организмы хорошо адаптированы к периодическим факторам. Непериодические факторы могут вызвать болезни и даже смерть организма (например, лекарственные препараты, ядохимикаты). Однако при длительном их воздействии также может возникнуть адаптация к ним.

Организмы адаптировались к суточной, сезонной, приливно-отливной ритмикам, ритмам солнечной активности, лунным фазам и другим строго периодичным явлениям. Так, сезонную адаптацию различают как сезонность в природе и состояние зимнего покоя.

Сезонность в природе. Ведущим значением для растений и животных при приспособлении организмов является годовой ход температуры. Период, благоприятный для жизни, в среднем для нашей страны, продолжается около шести месяцев (весна, лето). Еще до прихода устойчивых морозов в природе наступает период зимнего покоя.

Состояние зимнего покоя. Зимний покой не просто остановка развития в результате низких температур, а сложное физиологическое приспособление, причем наступающего лишь на определенной стадии развития. Например, малярийный комар и бабочка-крапивница зимуют в стадии взрослого насекомого, бабочка-капустница - в стадии куколки, непарный шелкопряд - в стадии яйца.

Биоритмы. У каждого вида в процессе эволюции выработался характерный годичный цикл интенсивного роста и развития, размножения, подготовки к зиме и зимовки. Это явление получило название биологического ритма. Совпадение каждого периода жизненного цикла с соответствующим временем года имеет решающее значение для существования вида.

Главным фактором регуляции сезонных циклов у большинства растений и животных является изменение продолжительности дня.

Биоритмы бывают:

экзогенные (внешние) ритмы (возникают как реакция на периодические изменения среды (смену дня и ночи, сезонов, солнечной активности) эндогенные (внутренние ритмы) генерируются самим организмом

В свою очередь эндогенные делятся на:

Физиологические ритмы (биение сердца, дыхание, работа желез внутренней секреции, синтез ДНК, РНК, белков, работа ферментов, деление клеток и др.)

Экологические ритмы (суточные, годичные, приливные, лунные и др.)

Ритмичность имеют процессы синтеза ДНК, РНК, белков, деление клеток, биение сердца, дыхание и т.д. Внешние воздействия могут сдвигать фазы этих ритмов и менять их амплитуду.

Физиологические ритмы варьируют в зависимости от состояния организма, экологические - более стабильны и соответствуют внешним ритмам. При эндогенных ритмах организм может ориентироваться во времени и заранее готовиться к предстоящим изменениям среды - это биологические часы организма. Многим живым организмам свойственны циркадные и цирканные ритмы.

Циркадные ритмы (околосуточные) - повторяющиеся интенсивности и характера биологических процессов и явлений с периодом от 20 до 28 часов. Циркадные ритмы связаны с активностью животных и растений в течение суток и, как правило, зависят от температуры и интенсивности света. Например, летучие мыши летают в сумерки и отдыхают днем, многие планктонные организмы ночью держатся у поверхности воды, а днем спускаются в глубину.

С влиянием света - фотопериодом - связаны сезонные биологические ритмы. Реакция организмов на продолжительность дня получила название фотопериодизма. Фотопериодизм - это общее важное приспособление, регулирующее сезонные явления у самых разных организмов. Изучение фотопериодизма растений и животных показало, что реакция организмов на свет основана на чередовании в течение суток периодов света и темноты определенной длительности. Реакция организмов (от одноклеточных до человека) на продолжительность дня и ночи показывает, что они способны измерять время, т.е. обладают какими-то биологическими часами. Биологические часы, кроме сезонных циклов, управляют многими другими биологическими явлениями, определяют правильный суточный ритм как активности целых организмов, так и процессов, происходящих даже на уровне клеток, в частности, клеточных делений.

Универсальным свойством всего живого, от вирусов и микроорганизмов до высших растений и животных, является способность давать мутации - внезапные, естественные и вызываемые искусственно, наследуемые изменения генетического материала, приводящие к изменению тех или иных признаков организма. Мутационная изменчивость не отвечает условиям окружающей среды и, как правило, нарушает существующие адаптации.

Впадают в диапаузу (продолжительная остановка в развитии) многие насекомые на определенной стадии развития, которую не надо путать с состоянием покоя в неблагоприятных условиях. На размножение многих морских животных влияют лунные ритмы.

Цирканные (окологодичные) ритмы - повторяющиеся изменения интенсивности и характера биологических процессов и явлений с периодом от 10 до 13 месяцев.

Физическое и психологическое состояние человека также имеет ритмический характер.

Нарушенный ритм труда и отдыха снижает работоспособность и оказывает неблагоприятное влияние на здоровье человека. Состояние человека в экстремальных условиях будет зависеть от степени подготовленности его к этим условиям, поскольку времени на адаптацию и восстановление практически нет.

Cтраница 1

Большой геологический круговорот вовлекает осадочные породы вглубь земной коры, надолго выключая содержащиеся в них элементы из системы биологического круговорота. В ходе геологической истории преобразованные осадочные породы, вновь оказавшись на поверхности Земли, постепенно разрушаются деятельностью живых организмов, воды и воздуха и снова включаются в биосферный круговорот.  

Большой геологический круговорот происходит в течение сотен тысяч или миллионов лет. Он заключается в следующем: горные породы подвергаются разрушению, выветриванию и в конечном итоге смываются потоками воды в Мировой океан. Здесь они откладываются на дне, образуя осадочные породы, и лишь частично возвращаются на сушу с организмами, извлеченными из воды человеком или другими животными.  

В основе большого геологического круговорота лежит процесс переноса минеральных соединений из одного места в другое в масштабе планеты без участия живого вещества.  

Кроме малого круговорота существует большой, геологический круговорот. Часть веществ попадает в глубинные слои Земли (через донные отложения морей или иным путем), где происходят медленные превращения с образованием различных соединений, минеральных и органических. Процессы геологического круговорота поддерживаются в основном внутренней энергией Земли, ее активного ядра. Эта же энергия способствует выходу веществ к поверхности Земли. Тем самым большой круговорот веществ замыкается. Он занимает миллионы лет.  

Относительно скорости и интенсивности большого геологического круговорота веществ в настоящее время нельзя привести сколь бы то ни былр точные данные, существуют лишь приближенные оценки, и то лишь для экзогенной составляющей общего цикла, т.е. без учета притока вещества из мантии в земную кору.  

Этот углерод принимает участие в большом геологическом круговороте. Этот углерод в процессе малого биотического круговорота поддерживает газовый баланс биосферы и жизнь в целом.  

Вклад биосферных и техносферных компонентов в большой геологический круговорот веществ Земли весьма существенный: отмечается постоянно прогрессирующий рост техносферных компонентов за счет расширения сферы производственной деятельности человека.  

Поскольку на земной поверхности основной технобйо-геохимический поток направлен в рамках большого геологического круговорота веществ для 70 % суши в океан и для 30 % - в замкнутые бессточные депрессии, но всегда от более высоких отметок к более низким, в результате действия гравитационных сил соответственно идет и дифференциация вещества земной коры от высоких отметок к низким, от суши к океану. Обратные потоки (атмосферный перенос, деятельность человека, тектонические движения, вулканизм, миграция организмов) в какой-то мере усложняют это общее нисходящее движение вещества, создавая локальные миграционные циклы, но не меняют его в целом.  

Круговорот воды между сушей и океаном через атмосферу относится к большому геологическому круговороту. Вода испаряется с поверхности Мирового океана и либо переносится на сушу, где выпадает в виде осадков, которые вновь возвращаются в океан в виде поверхностного и подземного стока, либо выпадает в виде осадков на поверхность океана. В круговороте воды на Земле ежегодно участвует более 500 тыс. км3 воды. Круговорот воды в целом играет основную роль в формировании природных условий на нашей планете. С учетом транспирации воды растениями и поглощения ее в биогеохимическом цикле весь запас воды на Земле распадается и восстанавливается за 2 млн лет.  

По его формулировке, биологический круговорот веществ развивается на части траектории большого, геологического круговорота веществ в природе.  

Перенос вещества поверхностными и подземными водами - это главный по объему фактор дифференциации суши земного шара в геохимическом отношении, но не единственный, а если говорить о большом геологическом круговороте веществ на земной поверхности в целом, то в нем весьма существенную роль играют и потоки, в частности океанический и атмосферный переносы.  

Относительно скорости и интенсивности большого геологического круговорота веществ в настоящее время нельзя привести сколь бы то ни было точные данные, существуют лишь приближенные оценки, и то лишь для экзогенной составляющей общего цикла, т.е. без учета притока вещества из мантии в земную кору. Экзогенная компонента большого геологического круговорота веществ - это постоянно идущий процесс денудации земной поверхности.  

К эндогенным процессам относятся: магматизм, метаморфизм (действие высо­ких температур и давления), вулканизм, движение земной коры (землетрясения, го­рообразования).

К экзогенным – выветривание, деятельность атмосферных и поверхностных вод морей, океанов, животных, растительных организмов и особенно человека – техногенез.

Взаимодействие внутренних и внешних процессов образует большой геологи­ческий круговорот веществ .

При эндогенных процессах образуются горные системы, возвышенности, океанические впадины, при экзогенных – происходит разрушение магматических горных пород, перемещение продуктов разрушения в реки, моря, океаны и формирование осадоч­ных пород. В результате движения земной коры осадочные породы погружаются в глубокие слои, подвергаются процессам метаморфизма (действию высоких темпера­тур и давления), образуются метаморфические породы. В более глубоких слоях они пе­реходят в расплавленное …
состояние (магматизация). Затем, в результате вулканиче­ских процессов, поступают в верхние слои литосферы, на ее поверхность в виде магматических пород. Так образуются почвообразующие породы и различные формы рельефа.

Горные породы , из которых формируется почва, называются почвообразую­щими или материнскими. По условиям образования они подразделяются на три группы: магматические, метаморфические и осадочные.

Магматические горные породы состоят из соединений кремния, Al, Fe, Mg, Ca, K, Na. В зависимости от соотношения этих соединений различают кислые и ос­новные породы.

Кислые (граниты, липариты, пегматиты) имеют высокое содержание кремне­зема (более 63%), оксидов калия и натрия (7-8%), оксидов кальция и Mg (2-3%). Они имеют светлую и бурую окраску. Почвы, образующиеся из таких пород, имеют рыхлое сложение, повышенную кислотность и малоплодородны.

Основные магматические породы (базальты, дуниты, периодиты) характери­зуются низким содержанием SiO 2 (40-60%), повышенным содержанием CaO и MgO (до 20%), оксидов железа (10-20%), Na 2 O и K 2 O менее менее 30%.

Почвы, образующиеся на продуктах выветривания основных пород, имеют щелочную и нейтральную реакцию, много гумуса и высокое плодородие.

Магматические породы составляют 95% общей массы пород, но в качестве почвообразующих они занимают небольшие площади (в горах).

Метаморфические горные породы , образуются в результате перекристал­лизации магматических и осадочных пород. Это мрамор, гнейсы, кварцы. Занимают небольшой удельный вес в качестве почвообразующих пород.

Осадочные породы . Формирование их обусловлено процессами выветривания магматических и метаморфических горных пород, переносом продуктов выветрива­ния водными, ледниковыми и воздушными потоками и отложением на поверхности суши, на дне океанов, морей, озер, в поймах рек.

По составу осадочные породы подразделяются на обломочные, хемогенные и биогенные.

Обломочные отложения различаются по величине обломков и частиц: это валуны, камни, гравий, щебень, пески, суглинки и глины.

Хемогенные отложения образовались в результате выпадения солей из водных растворов в морских заливах, озерах в условиях жаркого климата или в результате химических реакций.

К ним относятся галоиды (каменная и калийная соль), сульфаты (гипс, ангид­рид), карбонаты (известняк, мергель, доломиты), силикаты, фосфаты. Многие из них являются сырьем для производства цемента, химических удобрений, используются как агро­руды.

Биогенные отложения образованы из скоплений остатков растений и живот­ных. Это: карбонатные (биогенные известняки и мел), кремнистые (доло­мит) и углеродистые породы (угли, торф, сапропель, нефть, газ).

Главными генетическими типами осадочных пород являются:

1. Элювиальные отложения – продукты выветривания горных пород, остав­шиеся на листе их образования. Расположен элювий на вершинах водоразделов, где смыв выражен слабо.

2. Делювиальные отложения – продукты эрозии, отложенные временными во­дотоками дождевых и талых вод в нижней части склонов.

3. Пролювиальные отложения – образовались в результате переноса и отложе­ний продуктов выветривания временными горными реками и потопами у подножий склонов.

4. Аллювиальные отложения – формируются в результате отложения продуктов выветрива­ния речными водами, поступающих в них с поверхностным стоком.

5. Озерные отложения – донные отложения озер. Илы с высоким содержанием органического вещества (15-20%) называются сапропелями.

6. Морские отложения – донные отложения морей. При отступлении (транс­грессии) морей они остаются как почвообразующие породы.

7. Ледниковые (гляциальные) или моренные отложения – продукты выветрива­ния различных пород, перемещенные и отложенные ледником. Это несортирован­ный грубообломочный материал красно-бурого или серого цвета с включениями камней, валунов, гальки.

8. Флювиогляциальные (водно-ледниковые) отложения временных водотоков и замкнутых водоемов, образовавшиеся при таянии ледника.

9. Покровные глины относятся к внеледниковым отложениям и рассматрива­ются как отложения мелководных приледниковых разливов талых вод. Они пере­крывают марену сверху слоем 3-5 м. Имеют желто-бурую окраску, хорошо отсорти­рованы, не содержат камней и валунов. Почвы на покровных суглинках более пло­дородные, чем на марене.

10. Лессы и лессовидные суглинки характеризуются палевой окраской, повы­шенным содержанием пылеватых и илистых фракций, рыхлым сложением, высокой пористостью, высоким содержанием карбонатов кальция. На них образовались пло­дородные серые лесные, каштановые почвы, черноземы и сероземы.

11. Эоловые отложения образовались в результате деятельности ветра. Разру­шительная деятельность ветра слагается из коррозии (оттачивание, шлифование песком горных пород) и дефляции (сдувание и перенос ветром мелких частиц почв). Оба эти процесса вместе взятые представляет собой ветровую эрозию.

Основные схемы, формулы и т.д., иллюстрирующие содержание: презентация с фотографиями видов выветривания.

Вопросы для самоконтроля:

1. Что такое выветривание?

2. Что такое магматизация?

3. Чем отличается физическое и химическое выветривание?

4. Что такое геологический круговорот веществ?

5. Опишите строение Земли?

6. Что такое магма?

7. Из каких слоев состоит ядро Земли?

8. Что такое породы?

9. Как классифицируются породы?

10. Что такое лесс?

11. Что такое фракция?

12. Какие характеристики называются органолептические?

Основная:

1. Добровольский В.В. География почв с основами почвоведения: Учебник для вузов. — М.: Гуманит. изд. Центр ВЛАДОС, 1999.-384 с.

2. Почвоведение/ Под.ред. И.С. Кауричева. М. Агропромиадат изд. 4. 1989.

3. Почвоведение/ Под.ред. В.А. Ковды, Б.Г. Розанова в 2-х частях М. Высшая школа 1988.

4. Глазовская М.А., Геннадьев А.И. География почв с основами почвоведения МГУ. 1995

5. Роде А.А., Смирнов В.Н. Почвоведение. М. Высшая школа, 1972

Дополнительная:

1. Глазовская М.А. Общее почвоведение и география почв. М. Высшая школа 1981

2. Ковда В.А. Основы учения о почвах. М. Наука.1973

3. Ливеровский А.С. Почвы СССР. М. Мысль 1974

4. Розанов Б. Г. Почвенный покров земного шара. М. изд. У. 1977

5. Александрова Л.Н., Найденова О.А. Лабораторно-практические занятия по почвоведению. Л. Агропромиздат. 1985

Биосфера Земли характеризуется определенным образом сложившимися круговоротом веществ и потоком энергии. Круговорот веществ - многократное участие веществ в процессах, которые протекают в атмосфере, гидросфере и литосфере, в том числе в тех слоях, которые входят в состав биосферы Земли. Круговорот вещество осуществляется при непрерывном поступлении внешней энергии Солнца и внутренней энергии Земли.

В зависимости от движущей силы, внутри круговорота веществ можно выделить геологический (большой круговорот), биологический (биогеохимический, малый круговорот) и антропогенный круговороты.

Геологический круговорот (большой круговорот веществ в биосфере)

Этот круговорот осуществляет перераспределение вещества между биосферой и более глубокими горизонтами Земли. Движущей силой этого процесса являются экзогенные и эндогенные геологические процессы. Эндогенные процессы происходят под влиянием внутренней энергии Земли. Это энергия, которая выделяется в результате радиоактивного распада, химических реакций образования минералов и др. К эндогенным процессам относят, например, тектонические движения, землетрясения. Эти процессы ведут к образования крупных форм рельефа (материки, океанические впадины, горы и равнины). Экзогенные процессы протекают под влиянием внешней энергии Солнца. К ним относятся геологическая деятельность атмосферы, гидросферы, живых организмов и человека. Эти процессы ведут к сглаживанию крупных форм рельефа (речные долины, холмы, овраги и др.).

Продолжается геологический круговорот миллионы лет и заключается в том, что горные породы подвергаются разрушению, а продукты выветривания (в том числе растворимые в воде питательные вещества) сносятся потоками воды в Мировой океан, где они образуют морские напластования и лишь частично возвращаются на сушу с осадками. Геотектонические изменения, процессы опускания материков и поднятия морского дна, перемещения морей и океанов в течение длительного времени приводят к тому, что эти напластования возвращаются на сушу и процесс начинается вновь. Символом этого круговорота веществ является спираль, а не круг, т.к. новый цикл круговорота не повторяет в точности старый, а вносит что-то новое.

К большому круговороту относится круговорот воды (гидрологический цикл) между сушей и океаном через атмосферу (рис. 3.2).

Круговорот воды в целом играет основную роль в формировании природных условий на нашей планете. С учетом транспирации воды растениями и поглощения ее в биогеохимическом цикле, весь запас воды на Земле распадается и восстанавливается на 2 млн. лет.

Рис. 3. 2. Круговорот воды в биосфере.

В гидрологическим цикле все части гидросферы связаны между собой. В нем ежегодно участвует более 500 тыс. км3 воды. Движущей силой этого процесса является солнечная энергия. Молекулы воды под действием солнечной энергии нагреваются и поднимаются в виде газа в атмосферу (ежесуточно испаряется – 875 км3 пресной воды). По мере поднятия они постепенно охлаждаются, конденсируются и образуют облака. После достаточного охлаждения облака освобождают воду в виде различных осадков, падающих обратно в океан. Вода, попавшая на землю, может следовать двумя различными путями: либо впитываться в почву (инфильтрация), либо стекать по ней (поверхностный сток). По поверхности вода стекает в ручьи и реки, направляющиеся к океану или другие места, где происходит испарение. Впитавшаяся в почву вода, может удерживаться в ее верхних слоях (горизонтах) и возвращаться в атмосферу путем транспирации. Такая вода называется капиллярной. Вода, которая увлекается силой тяжести и просачивается вниз по порам и трещинам называется гравитационной. Просачивается гравитационная вода до непроницаемого слоя горной породы или плотной глины, заполняя все пустоты. Такие запасы называются грунтовыми водами, а их верхняя граница – уровнем грунтовых вод. Подземные слои породы, по которым медленно текут грунтовые воды называются водоносными горизонтами. Под действием силы тяжести грунтовые воды двигаются по водоносному слою до тех пор, пока не найдут «выход» (например, образуя естественные родники, которые питают озера, реки, пруды, т.е. становятся частью поверхностных вод). Таким образом, круговорот воды включает три основные «петли»: поверхностного стока, испарения-транспирации, грунтовых вод. В круговороте воды на Земле ежегодно участвует более 500 тыс. км3 воды и он играет основную роль в формировании природных условий.

Биологический (биогеохимический) круговорот

(малый круговорот веществ в биосфере)

Движущей силой биологического круговорота веществ является деятельность живых организмов. Он является частью большого и происходит в пределах биосферы на уровне экосистем. Состоит малый круговорот в том, что питательные вещества, вода и углерод аккумулируются в веществе растений (автотрофы), расходуются на построение тел и жизненные процессы, как растений, так и других организмов (как правило, животных - гетеротрофов), которые поедают эти растения. Продукты распада органического вещества под действием деструкторов и микроорганизмов (бактерии, грибы, черви) вновь разлагаются до минеральных компонентов. Эти неорганические вещества могут быть вновь использованы для синтеза автотрофами органических веществ.

В биогеохимических круговоротах различают резервный фонд (вещества, которые не связаны с живыми организмами) и обменный фонд (вещества, которые связаны прямым обменом между организмами и их непосредственным окружением).

В зависимости от расположения резервного фонда биогеохимические круговороты делят на два типа:

Круговороты газового типа с резервным фондом веществ в атмосфере и гидросфере (круговороты углерода, кислорода, азота).

Круговороты осадочного типа с резервным фондом в земной коре (круговороты фосфора, кальция, железа и др.).

Круговороты газового типа, обладая большим обменным фондом, являются более совершенными. И, кроме того, они способны к быстрой саморегуляции. Круговороты осадочного типа менее совершенны, они более инертны, так как основная масса вещества содержится в резервном фонде земной коры в недоступном» живым организмам виде. Такие круговороты легко нарушаются от различного рода воздействий, и часть обмениваемого материала выходит из круговорота. Возвратиться опять в круговорот она может лишь в результате геологических процессов или путем извлечения живым веществом.

Интенсивность биологического круговорота определяется температурой окружающей среды и количеством воды. Например, биологический круговорот интенсивнее протекает во влажных тропических лесах, чем в тундре.

Круговороты основных биогенных веществ и элементов

Круговорот углерода

Вся земная жизнь основана на углероде. Каждая молекула живого организма построена на основе углеродного скелета. Атомы углерода постоянно мигрируют из одной части биосферы в другую (рис. 3. 3.).

Рис. 3. 3. Круговорот углерода.

Основные запасы углерода на Земле находятся в виде содержащегося в атмосфере и растворенного в Мировом океане диоксида углерода (CO2). Растения поглощают молекулы углекислого газа, в процессе фотосинтеза. В результате атом углерода превращается в разнообразные органические соединения и таким образом включается в структуру растений. Далее возможно несколько вариантов:

· углерод остается в растениях ® молекулы растений идут в пищу редуцентам (организмам, которые питаются мертвым органическим веществом и при этом разрушают его до простых неорганических соединений) ® углерод возвращается в атмосферу в качестве CO2;

· растения съедаются травоядными животными ® углерод возвращается в атмосферу в процессе дыхания животных и при их разложении после смерти; либо травоядные животные будут съедены плотоядными и тогда углерод опять же вернется в атмосферу теми же путями;

· растения после гибели превращаются в ископаемое топливо (например, в уголь) ® углерод возвращается в атмосферу после использования топлива, вулканических извержений и др. геотермальных процессов.

В случае растворения исходной молекулы CO2 в морской воде также возможно несколько вариантов: углекислый газ может просто вернуться в атмосферу (этот вид взаимного газообмена между Мировым океаном и атмосферой происходит постоянно); углерод может войти в ткани морских растений или животных, тогда он будет постепенно накапливаться в виде отложений на дне Мирового океана и в конце концов превратится в известняк или из отложений вновь перейдет в морскую воду.

Скорость круговорота CO2 составляет около 300 лет.

Вмешательство человека в круговорот углерода (сжигание угля, нефти, газа, дегумификация) приводит к возрастанию содержания CO2 в атмосфере и развитию парникового эффекта. В настоящее время исследование круговорота углерода стало важной задачей для ученых, занимающихся изучением атмосферы.

Круговорот кислорода

Кислород является наиболее распространенным элементом на Земле (в морской воде содержится 85,82% кислорода, в атмосферном воздухе 23,15%, в земной коре 47,2%). Соединения кислорода незаменимы для поддержания жизни (играют важнейшую роль в процессах обмена веществ и дыхании, входит в состав белков, жиров, углеводов, из которых «построены» организмы). Главная масса кислорода находится в связанном состоянии (количество молекулярного кислорода в атмосфере составляет всего лишь 0,01% от общего содержания кислорода в земной коре).

Так как кислород содержится во многих химических соединениях, его круговорот в биосфере весьма сложен и главным образом происходит между атмосферой и живыми организмами. Концентрация кислорода в атмосфере поддерживается благодаря фотосинтезу, в результате которого зеленые растения под действием солнечного света превращают диоксид углерода и воду в углеводы и кислород. Основная масса кислорода продуцируется растениями суши – почти ¾, остальная часть – фотосинтезирующими организмами Мирового океана. Мощным источником кислорода является и фотохимическое разложение водяного пара в верхних слоях атмосферы под влиянием ультрафиолетовых лучей солнца. Кроме того, кислород совершает важнейший круговорот, входя в состав воды. Незначительное количество кислорода образуется из озона под воздействием ультрафиолетовой радиации.

Скорость круговорота кислорода около 2 тыс. лет.

Вырубка лесов, эрозия почв, различные горные выработки на поверхности уменьшают общую массу фотосинтеза и снижают круговорот кислорода на значительных территориях. Кроме того, на промышленные и бытовые нужды ежегодно расходуется 25 % кислорода, образующегося в результате ассимиляции.

Круговорот азота

Биогеохимический круговорот азота, так же как и предыдущие круговороты, охватывает все области биосферы (рис. 3.4).

Рис. 3. 4. Круговорот азота.

Азот входит в состав земной атмосферы в несвязанном виде в форме двухатомных молекул (приблизительно 78% всего объема атмосферы приходится на долю азота). Кроме того, азот входит в состав растений и животных организмов в форме белков. Растения синтезируют белки, поглощая нитраты из почвы. Нитраты образуются там из атмосферного азота и аммонийных соединений, имеющихся в почве. Процесс превращения атмосферного азота в форму, усвояемую растениями и животными, называется связыванием азота. При гниении органических веществ значительная часть содержащегося в них азота превращается в аммиак, который под влиянием живущих в почве нитрифицирующих бактерий окисляется затем в азотную кислоту. Эта кислота, вступая в реакцию с находящимися в почве карбонатами (например, с карбонатом кальция СаСОз), образует нитраты. Некоторая же часть азота всегда выделяется при гниении в свободном виде в атмосферу. Кроме того, свободный азот выделяется при горении органических веществ, при сжигании дров, каменного угля, торфа. Помимо этого, существуют бактерии, которые при недостаточном доступе воздуха могут отнимать кислород от нитратов, разрушая их с выделением свободного азота. Деятельность денитрифицирующих бактерий приводит к тому, что часть азота из доступной для зеленых растений формы (нитраты), переходит в недоступную (свободный азот). Таким образом, далеко не весь азот, входивший в состав погибших растений, возвращается обратно в почву (часть его постепенно выделяется в свободном виде).

К процессам, возмещающим потери азота, относятся, прежде всего, происходящие в атмосфере электрические разряды, при которых всегда образуется некоторое количество оксидов азота (последние с водой дают азотную кислоту, превращающуюся в почве в нитраты). Другим источником пополнения азотных соединений почвы является жизнедеятельность так называемых азотобактерий, способных усваивать атмосферный азот. Некоторые из этих бактерий поселяются на корнях растений из семейства бобовых, вызывая образование характерных вздутий - клубеньков. Клубеньковые бактерии, усваивая атмосферный азот, перерабатывают его в азотные соединения, а растения, в свою очередь, превращают последние в белки и другие сложные вещества. Таким образом, в природе совершается непрерывный круговорот азота.

В связи с тем, что ежегодно с урожаем с полей убираются наиболее богатые белками части растений (например, зерно), почва «требует» вносить удобрения, возмещающие убыль в ней важнейших элементов питания растений. В основном используют нитрат кальция (Ca(NO)2), нитрат аммония (NH4NO3), нитрат натрия (NANO3), и нитрат калия (KNO3). Также, вместо химических удобрений, используют сами растения из семейства бобовых. Если количество искусственных азотных удобрений, вносимых в почву, излишне велико, то нитраты поступают и в организм человека, где они могут превращаться в нитриты, обладающие большой токсичностью и способные вызывать онкологические заболевания.

Круговорот фосфора

Основная масса фосфора содержится в горных породах, образовавшихся в прошлые геологические эпохи. Содержание фосфора в земной коре составляет от 8 - 10 до 20 % (по весу) и находится он здесь в виде минералов (фторапатит, хлорапатит и др.), которые входят в состав природных фосфатов - апатитов и фосфоритов. В биогеохимический круговорот фосфор может попасть в результате выветривания горных пород. Эрозионными процессами фосфор выносится в море в виде минерала апатита. В превращениях фосфора большую роль играют живые организмы. Организмы извлекают фосфор из почв и водных растворов. Далее фосфор передается по цепям питания. С гибелью организмов фосфор возвращается в почву и в илы морей, и концентрируется в виде морских фосфатных отложений, что в свою очередь создает условия для создания богатых фосфором пород (рис. 3. 5.).

Рис. 3.5. Круговорот фосфора в биосфере (по П. Дювиньо, М. Тангу, 1973; с изменениями).

При неправильном применении фосфорных удобрений, в результате водной и ветровой эрозии (разрушение под действием воды или ветра) большое количество фосфора удаляется из почвы. С одной стороны, это приводит к перерасходу фосфорных удобрений и истощению запасов фосфоросодержащих руд.

С другой стороны, повышенное содержание фосфора на водных путях его переноса вызывает бурное увеличение биомассы водных растений, «цветение водоемов» и их эвтрофикацию (обогащение питательные веществами).

Так как растения уносят из почвы значительное количество фосфора, а естественное пополнение фосфорными соединениями почвы крайне незначительно, то внесение в почву фосфорных удобрений является одним из важнейших мероприятий по повышению урожайности. Ежегодно в мире добывают приблизительно 125 млн. т. фосфатной руды. Большая ее часть расходуется на производство фосфатных удобрений.

Круговорот серы

Основной резервный фонд серы находится в отложениях, в почве и атмосфере. Главная роль в вовлечении серы в биогеохимический круговорот принадлежит микроорганизмам. Одни из них восстановители, другие – окислители (рис. 3. 6.).

Рис. 3. 6. Круговорот серы (по Ю. Одуму, 1975).

В природе в большом количестве известны различные сульфиды железа, свинца, цинка и др. Сульфидная сера окисляется в биосфере до сульфатной серы. Сульфаты поглощаются растениями. В живых организмах сера входит в состав аминокислот и белков, а у растений, кроме того, в состав эфирных масел и т.д. Процессы разрушения остатков организмов в почвах и в илах морей сопровождаются сложными превращениями серы (микроорганизмы, создают многочисленные промежуточные соединения серы). После гибели живых организмов часть серы восстанавливается в почве микроорганизмами до H2S, другая часть окисляется до сульфатов и вновь включается в круговорот. Образовавшийся сероводород в атмосфере окисляется и возвращается в почву с осадками. Кроме того, сероводород может вновь образовать «вторичные» сульфиды, а сульфатная сера создает гипс. В свою очередь сульфиды и гипс вновь подвергаются разрушению, и сера возобновляет свою миграцию.

Кроме того, сера в виде SO2, SO3, H2S и элементарной серы выбрасывается вулканами в атмосферу.

Круговорот серы может быть нарушен вмешательством человека. Виной тому становится сжигание каменного угля и выбросы химической промышленности, в результате чего образуется сернистый газ, нарушающий процессы фотосинтеза и приводящий к гибели растительности.

Таким образом, биогеохимические циклы обеспечивают гомеостаз биосферы. При этом они в значительной степени подвержены влиянию человека. И одним из мощнейших антиэкологических действий человека связано с нарушением и даже разрушением природных круговоротов (они становятся ациклическими).

Антропогенный круговорот

Движущей силой антропогенного круговорота является деятельность человека. Данный круговорот включает две составляющие: биологическую, связанную с функционированием человека как живого организма, и техническую, связанную с хозяйственной деятельностью людей. Антропогенный круговорот в отличие и геологического и биологического не является замкнутым. Эта незамкнутость становится причиной истощения природных ресурсов и загрязнения природной среды.