Биологический и геологический круговороты.

Малый (биологический) круговорот

Масса живого вещества биосферы сравнительно мала. Если её распределить по земной поверхности, то получиться слой всего в 1,5 см. В таблице 4.1 сопоставлены некоторые количественные характеристики биосферы и других геосфер Земли. Биосфера, составляя менее 10-6 массы других оболочек планеты, обладает несравненно большим разнообразием и обновляет свой состав в миллион раз быстрее.

Таблица 4.1

Сравнение биосферы с другими геосферами Земли

*Живое вещество в расчёте на живой вес

4.4.1. Функции биосферы

Благодаря биоте биосферы осуществляется преобладающая часть химических превращений на планете. Отсюда суждение В.И. Вернадского об огромной преобразующей геологической роли живого вещества. На протяжении органической эволюции живые организмы тысячекратно (для разных круговоротов от 103 до 105 раз) пропустили через себя, через свои органы, ткани, клетки, кровь всю атмосферу, весь объём Мирового океана, большую часть массы почв, огромную массу минеральных веществ. И не только пропустили, но и в соответствии со своими потребностями видоизменили земную среду.

Благодаря способности трансформировать солнечную энергию в энергию химических связей растения и другие организмы выполняют ряд фундаментальных биогеохимических функций планетарного масштаба.

Газовая функция. Живые существа постоянно обмениваются кислородом и углекислым газом с окружающей средой в процессах фотосинтеза и дыхания. Растения сыграли решающую роль в смене восстановительной среды на окислительную в геохимической эволюции планеты и в формировании газового состава современной атмосферы. Растения строго контролируют концентрации О2 и СО2, оптимальные для совокупности всех современных живых организмов.

Концентрационная функция. Пропуская через своё тело большие объёмы воздуха и природных растворов, живые организмы осуществляют биогенную миграцию (движение химических веществ) и концентрирование химических элементов и их соединений. Это относится к биосинтезу органики, образование коралловых островов, строительство раковин и скелетов, появление толщ осадочных известняков, месторождений некоторых металлических руд, скопление железно–марганцевых конкреций, на дне океана т. д. Ранние этапы биологической эволюции проходили в водной среде. Организмы научились извлекать из разбавленного водного раствора необходимые для них вещества, многократно увеличивая их концентрацию в своём теле.

Окислительно – восстановительная функция живого вещества тесно связана с биогенной миграцией элементов и концентрированием веществ. Многие вещества в природе устойчивы и не подвергаются окислению при обычных условиях, например, молекулярный азот – один из важнейших биогенных элементов. Но живые клетки располагают настолько мощными катализаторами – ферментами, что способны осуществлять многие окислительно-восстановительные реакции в миллионы раз быстрее, чем это может проходить в абиотической среде.

Информационная функция живого вещества биосферы. Именно с появлением первых примитивных живых существ на планете появилась и активная («живая») информация, отличающаяся от той «мёртвой» информации, которая является простым отражением структуры. Организмы оказались способными к получению информации путём соединения потока энергии с активной молекулярной структурой, играющей роль программы. Способность воспринимать, хранить и перерабатывать молекулярную информацию совершила опережающую эволюцию в природе и стала важнейшим экологическим системообразующим фактором. Суммарный запас генетической информации биоты оценивается в 1015 бит. Общая мощность потока молекулярной информации, связанной с обменом веществ и энергии во всех клетках глобальной биоты достигает 1036 бит/с (Горшков и др., 1996).

4.4.2. Составляющие биологического круговорота.

Биологический круговорот осуществляется между всеми составляющими биосферы (т. е. между почвой, воздухом, водой, животными, микроорганизмами и т.д.). Он происходит при обязательном участии живых организмов.

Достигающее биосферы солнечное излучение несёт в себе энергию около 2,5*1024 Дж в год. Только 0,3% её непосредственно преобразуется в процессе фотосинтеза в энергию химических связей органических веществ, т.е. вовлекается в биологический круговорот. А 0,1 – 0,2 % солнечной энергии, падающей на Землю, оказывается заключённой в чистой первичной продукции. Дальнейшая судьба этой энергии связана с передачей органического вещества пищи по каскадам трофических цепей.

Биологический круговорот условно можно разделить на взаимосвязанные составляющие: круговорот веществ и энергетический круговорот.

4.4.3. Энергетический круговорот. Трансформация энергии в биосфере

Экосистему можно описать как совокупность живых организмов, обменивающихся непрерывно энергией, веществом, информацией. Энергию можно определить как способность производить работу. Свойства энергии, в том числе и движение энергии в экосистемах, описываются законами термодинамики.

Первый закон термодинамики или закон сохранения энергии утверждает, что энергия не исчезает и не создаётся заново, она лишь переходит из одной формы в другую.

Второй закон термодинамики утверждает, что в замкнутой системе энтропия может только возрастать. Применительно к энергии в экосистемах удобна следующая формулировка: процессы, связанные с превращением энергии, могут происходить самопроизвольно только при условии, что энергия переходит из концентрированной формы в рассеянную, то есть деградирует. Мера количества энергии, которая становится недоступной для использования, или иначе мера изменения упорядоченности, которая происходит при деградации энергии, есть энтропия. Чем выше упорядоченность системы, тем меньше её энтропия.

Говоря другими словами, живое вещество получает и трансформирует энергию космоса, солнца в энергию земных процессов (химическую, механическую, тепловую, электрическую). Вовлекает эту энергию и неорганическую материю в непрерывный круговорот веществ в биосфере. Поток энергии в биосфере имеет одно направление – от Солнца через растения (автотрофы) к животным (гетеротрофы). Природные нетронутые экосистемы в устойчивом состоянии с постоянными важнейшими экологическими показателями (гомеостаз), являются наиболее упорядоченными системами, и характеризуются наименьшей энтропией.

4.4.4. Круговорот веществ в живой природе

Образование живого вещества и его разложение – две стороны единого процесса, который называется биологическим круговоротом химических элементов. Жизнь – круговорот химических элементов между организмами и средой.

Причина круговорота – ограниченность элементов, из которых строятся тела организмов. Каждый организм извлекает из окружающей среды необходимые для жизнедеятельности вещества и возвращает неиспользованные. При этом:

одни организмы потребляют минеральные вещества непосредственно из окружающей среды;

другие используют продукты, переработанные и выделенные первыми;

третьи – вторыми и т.д., пока вещества не возвратятся в окружающую среду в первоначальном состоянии.

В биосфере очевидна необходимость сосуществования различных организмов, способных использовать продукты жизнедеятельности друг друга. Мы видим практически безотходное биологическое производство.

Круговорот веществ в живых организмах условно можно свести к четырём процессам:

1.Фотосинтез. В результате фотосинтеза растения усваивают и аккумулируют солнечную энергию и синтезируют из неорганических веществ органические вещества - первичную биологическую продукцию - и кислород. Первичная биологическая продукция отличается большим разнообразием – содержит углеводы (глюкозу), крахмал, клетчатку, белки, жиры.

Схема фотосинтеза простейшего углевода (глюкозы) имеет следующую схему:

Этот процесс протекает только днём и сопровождается увеличением массы растений.

На Земле ежегодно в результате фотосинтеза образуется около 100 млрд. т. органического вещества, усваивается около 200 млрд. т. углекислого газа, выделяется примерно 145 млрд. т кислорода.

Фотосинтезу принадлежит решающая роль в обеспечении существования жизни на Земле. Его глобальное значение объясняется тем, что фотосинтез является единственным процессом, в ходе которого энергия в термодинамическом процессе согласно с минималистским принципом не рассеивается, а наоборот – накапливается.

Синтезируя необходимые для построения белков аминокислоты, растения могут существовать относительно независимо от других живых организмов. В этом проявляется автотрофность растений (самостоятельность в питании). В то же время зелёная масса растений и кислород, образующийся в процессе фотосинтеза, являются основой для поддержания жизни следующей группы живых организмов – животных, микроорганизмов. В этом проявляется гетеротрофность этой группы организмов.

2. Дыхание. Процесс обратный фотосинтезу. Происходит во всех живых клетках. При дыхании органическое вещество окисляется кислородом, в результате образуется углекислый газ, вода и выделяется энергия.

3. Пищевые (трофические) связи между автотрофными и гетеротрофными организмами. В данном случае происходит перенос энергии и вещества по звеньям пищевой цепи, которые более подробно были нами рассмотрены ранее.

4. Процесс транспирации. Один из самых важных процессов в биологическом круговороте.

Схематично его можно описать следующим образом. Растения поглощают почвенную влагу корнями. При этом в них поступают растворённые в воде минеральные вещества, которые усваиваются, а влага более или менее интенсивно испаряется в зависимости от условий среды.

4.4.5. Биогеохимические циклы

Геологический и биологический круговороты связаны – они существуют как единый процесс, рождая циркуляцию веществ, так называемые биогеохимические циклы (БГХЦ). Этот круговорот элементов обусловлен синтезом и распадом органических веществ в экосистеме (рис.4.1) В БГХЦ задействованы не все элементы биосферы, а только биогенные. Из них состоят живые организмы, эти элементы вступают в многочисленные реакции и участвуют в процессах, протекающих в живых организмах. В процентном соотношении совокупная масса живого вещества биосферы состоит из следующих основных биогенных элементов: кислорода – 70%, углерода – 18%, водорода – 10,5%, кальция – 0,5%, калия – 0,3%, азот – 0,3%, (кислород, водород, азот, углерод присутствуют во всех ландшафтах и являются основой живых организмов – 98%).

Сущность биогенной миграции химических элементов.

Таким образом, в биосфере имеют место биогенный круговорот веществ (т.е. круговорот, вызванный жизнедеятельностью организмов) и однонаправленный поток энергии. Биогенная миграция химических элементов определяется в основном двумя противоположными процессами:

1. Образование живого вещества из элементов окружающей среды за счет солнечной энергии.

2. Разрушение органических веществ, сопровождающееся выделением энергии. При этом элементы минеральных веществ многократно попадают в живые организмы, входя тем самым в состав сложных органических соединений, форм, а затем при разрушении последних снова приобретают минеральную форму.

Существуют элементы, входящие в состав живых организмов, но не относящиеся к биогенным. Такие элементы классифицируются по их весовой доле в организмах:

Макроэлементы – составляющие не менее 10-2% массы;

Микроэлементы – составляющие от 9*10-3 до 1*10-3% массы;

Ультрамикроэлементы – менее 9*10-6% массы;

Чтобы определить место биогенных элементов среди других химических элементов биосферы, рассмотрим принятую в экологии классификацию. По проявляемой активности в процессах, протекающих в биосфере, все химические элементы делят на 6 групп:

Благородные газы – гелий, неон, аргон, криптон, ксенон. Инертные газы в состав живых организмов не входят.

Благородные металлы – рутений, радий, палладий, осмий, иридий, платина, золото. Эти металлы почти не создают соединений в земной коре.

Циклические или биогенные элементы (их ещё называют миграционными). На эту группу биогенных элементов в земной коре приходится 99,7% всей массы, а на остальные 5 групп – 0,3%. Таким образом, основная масса элементов – это мигранты, которые осуществляют кругооборот в географической оболочке, а часть инертных элементов очень мала.

Рассеянные элементы, характеризующиеся преобладанием свободных атомов. Вступают в химические реакции, но их соединения редко встречаются в земной коре. Разделяются на две подгруппы. Первая – рубидий, цезий, ниобий, тантал – создают соединения в глубинах земной коры, а на поверхности их минералы разрушаются. Вторая – йод, бром – вступают в реакции лишь на поверхности.

Радиоактивные элементы – полоний, радон, радий, уран, нептуний, плутоний.

Редкоземельные элементы – иттрий, самарий, европий, тулий т.д.

Круглогодично биохимические циклы приводят в движение около 480 млрд. т. вещества.

В.И. Вернадский сформулировал три биогеохимических принципа, которые объясняют сущность биогенной миграции химических элементов:

Биогенная миграция химических элементов в биосфере всегда стремится к максимальному своему проявлению.

Эволюция видов в ходе геологического времени, приводящая к созданию устойчивых форм жизни, идёт в направлении, усиливающем биогенную миграцию атомов.

Живое вещество находится в непрерывном химическом обмене с окружающей его средой, что является фактором, воссоздающим и поддерживающим биосферу.

Рассмотрим, как движутся в биосфере некоторые из этих элементов.

Круговорот углерода. Главным участником биотического круговорота является углерод как основа органических веществ. Преимущественно круговорот углерода происходит между живым веществом и углекислым газом атмосферы в процессе фотосинтеза. С пищей его получают травоядные, от травоядных – хищники. При дыхании, гниении углекислый газ частично возвращается в атмосферу, возврат происходит при сжигании органических полезных ископаемых.

При отсутствии возврата углерода в атмосферу, он был бы израсходован зелёными растениями за 7-8 лет. Скорость биологического оборота углерода через фотосинтез – 300 лет. Мировой океан играет большую роль в регулировании содержания СО2 в атмосфере. Если в атмосфере повышается содержание СО2, часть его растворяется в воде, вступая в реакцию с карбонатом кальция.

Круговорот кислорода.

Кислород обладает высокой химической активностью, вступает в соединения практически со всеми элементами земной коры. Встречается в основном в виде соединений. Каждый четвёртый атом живого вещества – атом кислорода. Почти весь молекулярный кислород в атмосфере возник и поддерживается на постоянном уровне благодаря деятельности зелёных растений. Кислород атмосферы, связываясь при дыхании и освобождаясь при фотосинтезе, проходит через все живые организмы за 200 лет.

Круговорот азота. Азот является составной частью всех белков. Общее отношение связанного азота, как элемента, составляющего органическое вещество, к азоту в природе равно 1:100000. Энергия химической связи в молекуле азота очень велика. Поэтому соединение азота с другими элементами – кислородом, водородом (процесс азотофиксации) – требует больших затрат энергии. Промышленная фиксация азота идёт в присутствии катализаторов при температуре -500оС и давлении –300 атм.

Как известно, атмосфера содержит более 78% молекулярного азота, но в таком состоянии он не доступен зелёным растениям. Для своего питания растения могут использовать лишь соли азотной и азотистой кислот. Каковы пути образования этих солей? Вот некоторые из них:

В биосфере фиксация азота осуществляется несколькими группами анаэробных бактерий и цианобактерий при нормальной температуре и давлении благодаря высокой эффективности биокатализа. Считается, что бактерии переводят в связанную форму приблизительно 1 млрд. т азота в год (мировой объём промышленной фиксации – около 90 млн.т).

Почвенные азотофиксирующие бактерии способны усваивать молекулярный азот из воздуха. Они обогащают почву азотистыми соединениями, поэтому их значение чрезвычайно велико.

В результате разложения азотосодержащих соединений органических веществ растительного и животного происхождения.

Под действием бактерий азот переходит в нитраты, нитриты, аммонийные соединения. В растениях соединения азота принимают участие в синтезе белковых соединений, которые в цепях питания передаются от организма к организму.

Круговорот фосфора. Ещё одним важным элементом, без которого невозможен синтез белков, является фосфор. Основные источники – изверженные породы (апатиты) и осадочные породы (фосфориты).

Неорганический фосфор вовлекается в круговорот в результате естественных процессов выщелачивания. Фосфор усваивается живыми организмами, которые при его участии синтезируют ряд органических соединений и передают на различные трофические уровни.

Закончив свой путь по трофическим цепям, органические фосфаты разлагаются микробами и превращаются в минеральные фосфаты, доступные для зелёных растений.

В процессе биологического круговорота, который обеспечивает движение вещества и энергии, нет места накоплению отходов. Продукты жизнедеятельности (т.е. отходы) каждой формы жизни являются питательной средой для других организмов.

Теоретически в биосфере всегда должен поддерживаться баланс между продуцированием биомассы и её разложением. Однако в отдельные геологические периоды сбалансированность биологического круговорота нарушалась, когда из-за определённых природных условий, катаклизмов не вся биологическая продукция усваивалась, трансформировалась. В этих случаях образовывались излишки биологической продукции, которые консервировались и откладывались в земной коре, под толщей воды, наносов, оказывались в зоне вечной мерзлоты. Так сформировались залежи каменного угля, нефти, газа, известняка. Надо отметить, что они не засоряют биосферу. В органических полезных ископаемых сконцентрировалась энергия Солнца, накопленная в процессе фотосинтеза. Сейчас, сжигая органические горючие полезные ископаемые, человек высвобождает эту энергию.

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.

Круговорот веществ в природе - повторяющийся циклический процесс превращения и перемещения отдельных химических элементов и их соединений. Происходил в течение всей истории развития Земли и продолжается в настоящее время. Всегда имеет место определённое отклонение в составе и количестве циркулирующего вещества, поэтому в природе нет полного повторения цикла. Это определяет поступательное развитие Земли как планеты. Особенно характерен круговорот веществ для геологической стадии развития, когда формировались осн. оболочки Земли. По масштабу проявления на первом месте находится геологический круговорот . Он представляет собой движение вещества по преимуществу во внутренних оболочках: подъём в результате восходящих тектонических движений и вулканизма; перенос его по горизонтали во внешних оболочках и аккумуляция; нисходящие движения - захоронение осадков, погружение в результате нисходящих тектонических движений. На глубине происходит метаморфизм, плавление вещества с образованием магмы и метаморфических горных пород. Основополагающую роль в создании географической оболочки играет круговорот воды .

Со времени появления жизни на Земле начался биологический круговорот . Он обеспечивает непрерывные превращения, в результате которых вещества после использования одними организмами переходят в усвояемую для других организмов форму. Энергетической основой является поступающая на Землю солнечная энергия. Растительные организмы поглощают минеральные вещества, которые через пищевые цепи попадают в организм животных, затем с помощью редуцентов (бактерий, грибов и др.) возвращаются в почву или атмосферу. От интенсивности этого круговорота зависит количество и разнообразие живых организмов на Земле и объём накапливаемой ими биомассы . Макс. интенсивность биологического круговорота на суше наблюдается во влажных тропических лесах, где растительные остатки почти не накапливаются и высвобождающиеся минеральные вещества сразу же поглощаются растениями. Весьма низка интенсивность круговорота в болотах и тундре, где не успевающие разложиться остатки растений накапливаются. Особое значение имеют круговороты биогенных химических элементов, прежде всего углерода . Растительные организмы извлекают из атмосферы до 300 млрд. т углекислого газа (или 100 млрд. т углерода) ежегодно. Растения частично поедаются животными, частично отмирают. Органическое вещество в результате дыхания организмов, разложения их остатков, процессов брожения и гниения превращается в углекислый газ или отлагается в виде сапропеля, гумуса, торфа, из которых в дальнейшем образуются угли, нефть, горючий газ. В активном круговороте углерода участвует очень небольшая его часть, значительное количество законсервировано в виде горючих ископаемых известняков и других горных пород. Осн. масса азота сосредоточена в атмосфере (3,8510№? т); в водах Мирового океана его содержится 2510№і т. В круговороте азота ведущая роль принадлежит микроорганизмам: азотофиксаторам, нитрификаторам и денитрификаторам. Ежегодно на суше в круговорот вовлекается ок. 4510? т азота, в водной среде в 4 раза меньше. Азотосодержащие соединения из отмерших остатков преобразуются нитрифицирующими микроорганизмами в оксиды азота, которые впоследствии разлагаются денитрифицирующими бактериями с выделением молекулярного азота. С живым веществом связаны также круговороты кислорода , фосфора , серы и многих других элементов. Последствия воздействия человека на круговорот веществ становятся всё значительнее. Они стали сравнимы с результатами геологических процессов: в биосфере возникают новые пути миграции веществ, появляются новые химические соединения, которых не было прежде, меняется круговорот воды.

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.  

Чтобы биосфера продолжала существовать, чтобы движение (развитие) ее не прекращалось, на Земле постоянно должен происходить круговорот биологически важных веществ. Этот переход биологически важных веществ из звена в звено может осуществляться только при определенных затратах энергии, источником которой является Солнце.

Солнечная энергия обеспечивает на Земле два круговорота веществ:

- геологический (абиотический), или большой, круговорот;

- биологический (биотический), или малый, круговорот.

Геологический круговорот наиболее четко проявлятся в круговороте воды и циркуляции атмосферы.

На Землю от Солнца ежегодно поступает примерно 21 10 20 кДж лучистой энергии. Около половины ее расходуется на испарение воды. Это и обусловливает большой круговорот.

Круговорот воды в биосфере основан на том, что суммарное ее испарение с поверхности Земли компенсируется выпадением осадков. При этом из океана испаряется воды больше, чем возвращается с осадками. На суше, наоборот, больше выпадает осадков, чем испаряется воды. Излишки ее стекают в реки и озера, а оттуда - снова в океан.

В процессе геологического круговорота воды с одного места в другое в масштабе всей планеты переносятся минеральные соединения, а также изменяется агрегатное состояние воды (жидкая, твердая - снег, лед; газообразная - пары). Наиболее интенсивно вода циркулирует в парообразном состоянии.

С появлением живого вещества на основе круговорота атмосферы, воды, растворенных в ней минеральных соединений, т.е. на базе абиотического, геологического круговорота возник круговорот органического вещества, или малый, биологический круговорот .

По мере развития живой материи из геологического круговорота постоянно извлекается все больше элементов, которые вступают в новый, биологический круговорот.

В отличие от простого переноса-перемещения минеральных элементов в большом (геологическом) круговороте, в малом (биологическом) круговороте самыми важными моментами являются синтез и разрушение органических соединений. Эти два процесса находятся в определенном соотношении, что лежит в основе жизни и составляет одну из главных ее особенностей.

В противоположность геологическому, биологический круговорот обладает более низкой энергией. На создание органического вещества, как известно, затрачивается всего 0,1-0,2%, падающей на Землю солнечной энергии (на геологический круговорот - до 50%). Несмотря на это энергия, вовлеченная в биологический круговорот, затрачивается на огромную работу по созиданию на Земле первичной продукции.

С появлением на Земле живой материи химические элементы беспрерывно циркулируют в биосфере, переходя из внешней среды в организмы и обратно во внешнюю среду.

Такая циркуляция химических элементов по более или менее замкнутым путям, протекающая с использованием солнечной энергии через живые организмы, называется биогеохимическим круговоротом (циклом).

Основными биогеохимическими циклами являются круговороты кислорода, углерода, азота, фосфора, серы, воды и биогенных элементов.

Круговорот углерода.

На суше круговорот углерода начинается с фиксации углекислого газа растениями в процессе фотосинтеза. Далее из углекислого газа и воды образуются углеводы и высвобождается кислород. При этом углерод частично выделяется во время дыхания растений в составе углекислого газа. Фиксированный в растениях углерод в некоторой степени потребляется животными. Животные при дыхании также выделяют углекислый газ. Отжившие животные и растения разлагаются микроорганизмами, в результате чего углерод мертвого органического вещества окисляется до углекислого газа и снова попадает в атмосферу.

Подобный круговорот углерода совершается и в океане.

Круговорот азота.

Круговорот азота, как и другие биогеохимические циклы, охватывает все области биосферы. Круговорот азота связан с его превращением в нитраты за счет деятельности азотфиксирующих и нитрифицирующих бактерий. Нитраты усваиваются растениями из почвы или воды. Растения поедаются животными. В конце концов редуценты вновь переводят азот в газообразную форму и возвращают его в атмосферу.

В современных условиях в круговорот азота вмешался человек, который выращивая на обширных площадях азотфиксирующие бобовые растения, искусственно связывает природный азот. Считается, что сельское хозяйство и промышленность дают почти на 60% больше фиксированного азота, чем естественные наземные экосистемы.

Подобный круговорот азота наблюдается и в водной среде.

Круговорот фосфора.

В отличие от углерода и азота соединения фосфора находятся в горных породах, которые подвергаются эрозии и высвобождают фосфаты. Большая часть их попадает в моря и океаны и частично вновь может быть возвращена на сушу через морские пищевые цепи, заканчивающиеся рыбоядными птицами. Некоторая часть фосфатов попадает в почву и поглощается корнями растений. Усвоение фосфора растениями зависит от кислотности почвенного раствора: по мере повышения кислотности практически нерастворимые в воде фосфаты превращаются в хорошо растворимую фосфорную кислоту. Далее растения поедаются животными.

Основными звеньями биогеохимических циклов выступают различные организмы, многообразие форм которых обусловливает интенсивность протекания круговоротов и вовлечение в них практически всех элементов земной коры.

В целом каждый круговорот любого химического элемента является частью общего грандиозного круговорота веществ на Земле, т.е. они тесно связаны между собой.