Круговорот вещества в природе

 

В целом в биосфере происходит непрерывный процесс создания живого вещества аккумуляции энергии и одновременно с этим разрушения сложных органических соединений и превращения их в исходные вещества: СО₂, Н₂О, Н₂S, различные соли и т. д. Эти два процесса составляют сущность круговорота веществ, они неразделимы, и биосфера может существовать только при одновременном их существовании.

Круговорот веществ – это многократное участие веществ в процессах, протекающих в атмосфере, гидросфере, литосфере. При этом выделяют два основных круговорота: большой (геологический) и малый (биогенный и биохимический).

Причем только малый круговорот совершается в пределах биосферы, и поэтому мы не будем рассматривать большой круговорот. Очень важным элементом круговорота является живое вещество, а «мотором», который «раскручивает колесо круговорота», является энергия Солнца.

Биологический круговоротвещества проходит в границах обитаемой биосферы и воплощает в себе уникальные свойства живого вещества планеты. Будучи частью большого, малый круговорот осуществляется на уровне биогеоценоза, он заключается в том, что питательные вещества почвы, вода, углерод аккумулируются в веществе растений, расходуются на построение тела и жизненные процессы как их самих, так и организмов-консументов. Продукты разложения органического вещества почвенной микрофлорой и редуцентами (бактерии, грибы, моллюски, черви, насекомые, простейшие и др.) вновь разлагаются до минеральных компонентов, опять-таки доступных растениям и поэтому вновь вовлекаемых ими в поток вещества.

Никогда новый цикл круговорота не является точным повторением старого, он обязательно имеет что-то новое, пусть и очень малозаметное. Эти различия, постепенно накапливаясь с каждым новым циклом, приводят к заметным изменениям. Таким образом и происходит развитие биосферы.

Академик В. Р. Вильямс указывал, что единственный способ придать чему-то конечному свойства бесконечного – это заставить конечное вращаться по замкнутой кривой, т. е. вовлечь его в круговорот.

Из-за геологических изменений лика Земли часть вещества биосферы может исключаться из этого круговорота. Например, такие биогенные осадки, как каменный уголь, нефть на многие тысячелетия консервируются в толще земной коры, но в принципе не исключено их повторное включение в биосферный круговорот.

Круговорот химических веществ из неорганической среды через растительные и животные организмы обратно в неорганическую среду с использованием энергии Солнца и химических реакций называется биогеохимическим циклом (рис. 4).

Биогеохимические круговороты в биосфере подразделяют на круговороты газового типа с резервным фондом веществ в атмосфере или гидросфере (азота, кислорода, диоксида углерода, водяных паров) и круговороты осадочного типа с менее обширными резервуарами в земной коре (фосфора, кальция, железа).

Круговорот углерода. Разнообразны пути движения углерода в биосфере. Но для живых организмов главный его источник – углекислый газ атмосферы (всего 0,03 % по объему) и его раствор в воде (рис. 4).

Углекислый газ включается живыми существами в разнообразные органические соединения. Растения захватывают его при фотосинтезе. У большинства живых организмов он выделяется при дыхании. Многочисленные редуценты перерабатывают (минерализуют) органические вещества до неорганических, в том числе до углекислого газа.

Часть накопленного углерода может сохраняться на протяжении длительного времени. Так, в древесине связанный углерод (всего до 500∙10⁶т) может сохраняться десятки, а иногда и сотни лет, а в биогенных известняках, каменных и бурых углях – десятки и сотни миллионов лет. То же можно сказать и о залежах нефти и газа. Большое количество углерода в составе карбонатов растворено в морях и океанах, зафиксировано в донных отложениях и скелетных образованиях.

Для современного круговорота углерода крайне важна деятельность человека. При переработке многих природных ресурсов образуется поступающий в атмосферу углекислый газ. Считается, что увеличение содержания этого газа приводит к так называемому парниковому эффекту, выраженному в первую очередь в увеличе
нии среднегодовых температур.

 

Рис. 4. Круговороты основных химических элементов и воды в биосфере

(по Hutchinson из Грина и др., 1990 с изм.)

 

Круговорот азота. Азот – незаменимый биогенный элемент, поскольку он входит в состав белков и нуклеиновых кислот. Атмосфера – неисчерпаемый резервуар азота, однако основная часть живых организмов не может непосредственно использовать этот азот: он должен быть предварительно связан в виде химических соединений.

Частично азот поступает из атмосферы в экосистемы в виде оксида азота, образующегося под действием электрических разрядов во время грозы. Однако основная часть азота поступает в воду и почву в результате его биологической фиксации.

Существует несколько видов бактерий и сине-зеленых водорослей (к счастью, весьма многочисленных), которые спо­собны фиксировать азот атмосферы. В результате их деятель­ности, а также благодаря разложению органических остатков в почве растения-автотрофы получают возможность усваивать необходимый азот.

Куговорот азота (рис. 4) тесно связан с круговоротом уг­лерода. Несмотря на то, что круговорот азота сложнее, чем круговорот углерода, он, как правило, происходит быстрее.

Круговорот воды. Вода является одним из важнейших для существования жизни на Земле химических соединений (рис. 4). Пары воды в большом количестве содержатся в атмосфере. Часть осадков (иногда до четверти) перехватывается растениями и либо поглощается, либо перераспределяется в виде капель. Почвы в той или иной степени накапливают влагу. Многие растения используют эту влагу для обеспечения своей жизнедеятельности. Значительная ее часть в итоге испаряется.

Так, в лесных биомах с одного гектара в день испаряется до 50 000 л. Создание орошаемых полей приводит к резкому изменению режима испарения в засушливых районах. При этом требуется все больше и больше воды для полива и в результате испарения происходит подъем засоленных грунтовых вод. Вода растворяет разнообразные химические соединения. Часто это приводит не только к появлению нарушений (например, размывов), но и обеднению одних экосистем и обогащению других. В большинстве случаев сток оказывается в водоемах, сначала главным образом в ручьях и реках, а затем – в морях и океанах, а также в бессточных озерах. Все водоемы выступают как своеобразные аккумуляторы, как воды, так и растворенных в ней химических соединений. Однако часть воды испаряется с поверхности водоемов, а вот другие соединения накапливаются в них.

Круговорот кислорода. Кислородне всегда входил в состав земной атмосферы. Он появился в результате жизнедеятельности фотосинтезирующих организмов и под действием ультрафиолетовых лучей превра­щался в озон. По мере накопления озона произошло образова­ние озонового слоя в верхних слоях атмосферы.

Современная атмосфера содержит примерно двадцатую часть кислорода, имеющегося на нашей планете. Главные запа­сы кислорода сосредоточены в карбонатах, органических веще­ствах и оксидах железа; часть кислорода растворена в воде. В атмосфере, по-видимому, сложилось приблизительное равнове­сие между производством кислорода в процессе фотосинтеза и его потреблением живыми организмами. Но в последнее время появилась опасность, что в результате человеческой деятельно­сти запасы кислорода в атмосфере могут уменьшиться. Особую опасность представляет разрушение озонового слоя. Большинство ученых связыва­ют это с деятельностью человека.

Круговорот кислорода в биосфере (рис. 4) необычайно сложен, так как с ним вступает в реакцию большое количество органических и неорганических веществ, а также водород, от соединения которого с кислородом образуется вода.

Другие составные части воздуха не участвуют в биохимиче­ских циклах, но наличие большого количества загрязнителей в ат­мосфере может привести к серьезным нарушениям этих циклов.

Для понимания глубинных процессов в биосфере чрезвы­чайно важна индивидуальная значимость того или иного хими­ческого элемента. Биомасса растений значительнее зем­ной коры обогащена углеродом, водородом, азотом и кислоро­дом, а биомасса животных, кроме того, – фосфором и серой. Из других элементов наиболее широко представлены кальций, калий, кремний, а из микроэлементов – стронций, бор, цинк, молибден, медь и никель.

Именно они являются главными участниками биогеохими­ческого круговорота веществ, так как основные строители жиз­ни – биофилы. Вообще же в состав живого в различных про­порциях вовлечены все элементы Периодической таблицы Д. И. Менделеева.

Вмешательство человека в окружающую природную среду за последние несколько десятилетий существенно изменило процентное соотношение элементов. Важнейшее и наиболее массовое нарушение нормального биогеохимического круговорота веществ в биосфере связано с уничтожением лесов и заменой их травяным покровом, распашкой прерий, степей, орошением пустынь и возделыванием на их месте культурных растений с отчуждением урожая и продуктов жи­вотноводства. И хотя удобрения включают в круговорот от 100–300 кг азота, фосфора и калия на 1 га, с урожаями из него уходит до 400–600 кг зольных веществ и азота с каждого гектара.

Интересна и средняя продолжительность общего цикла обмена углерода, азота и воды, вовлеченных в биологи­ческий круговорот. Для суши в целом этот цикл укладывается в период продолжительностью от 300 до 1000 лет. Примерно с такой средней скоростью происходит освобождение минераль­ных соединений, связанных в биомассе, а также освобождение и минерализация веществ гумуса почвы.

Установлено, что одни элементы наиболее прочно удержи­ваются в живом веществе и почве (азот, фосфор, калий и каль­ций), а другие интенсивно выщелачиваются и выносятся в реки и моря (хлор, магний, сера). В зависимости от климатических условий, растительного покрова и естественного дренажа местности эта характеристика меняется. К группе активных «путешественников» следует отнести бор, бром, серу, фтор, хлор, а к «ленивцам» – калий, кремний, медь, никель, фосфор и особенно алюминий и железо. Чтобы избежать опасности нарушения природных биологических круговоротов, хозяйственную деятельность человека необходимо планировать с учетом цикличности природных процессов. Особенно тщательно их следует учитывать в земледелии, пастбищном животноводстве, водоснабжении и навигации. Нельзя забывать, что чуткость почвы к вмешательству человека огромна. Распашка, внесение минеральных удобрений, загрязнение нефтью и тяжелыми металлами весьма обедняют ее фауну. В результате нарушаются и даже полностью выпадают звенья нормальных пищевых цепей и биогеохимических циклов.

Благодаря непрестанному функционированию системы «атмосфера – почва – растения – животные – микроорганизмы» сложился биогеохимический круговорот многих химических элементов и их соединений, охватывающий сушу, атмосферу и внутриконтинентальные воды. Его суммарные характеристики сопоставимы с суммарным речным стоком суши или суммарным поступлением веществ из верхней мантии в биосферу планеты. Именно поэтому живое вещество планеты уж многие миллионы лет назад само стало фактором геологического значения.

На протяжении нескольких сотен миллионов лет кругово­рот веществ в природе направлялся совместным действием биологических, геохимических и геофизических факторов. В последние 50–100 лет многосторонняя хозяйственная деятель­ность человека возвысила роль антропогенных факторов до уровня биогеохимических воздействий, а в некоторых звеньях, причем не только локально или регионально, но и глобально, приобрела главное значение. В результате антропогенные фак­торы стали нарушать и изменять прежде нормальные биогео­химические циклы.

 

Выводы

Учение о биосфере как об активной оболочке Земли создано В. И. Вернадским (1919, 1926 гг.). По его определению, биосфера – наружная оболочка Земли, область распространения жизни.

Современная жизнь распространена в верхней части земной коры (литосфере), в нижних слоях воздушной оболочки Земли (тропосфере) и в водной оболочке Земли (гидросфере).

Живое вещество в биосфере выполняет энергетическую, газовую, концентрационную, деструкционную, транспортную и средообразующую функции.

В процессе жизнедеятельности все организмы находятся в постоянном и активном взаимодействии с окружающей средой. Суть этого взаимодействия заключается в обмене веществом и энергией. При этом рассматривают следующие уровни организации живой материи биосферы: организменный; популяционно-видовой; биогеоценотический (экосистемный); биосферный.

Популяция – элементарная форма существо­вания вида в природе. Популяции эволюционируют и являются единицами эволюции видов и видообразования.

Экосистема – функциональная основная единица биосферы, включающая в себя организмы (биотические сообщества) и абиотическую среду.

Каждая эко­система имеет определенную функциональную структуру. Ее образуют группы организмов разных видов, различаемые по способу питания – автотрофы(продуценты), гетеротрофы(консументы, детритофаги и редуценты).

Между всеми группами организмов в любой экосистеме устанавливаются прочные пищевые взаимоотношения, образуя пищевую цепь. Их совместное функционирование не только поддерживает структуру, целостность биоценоза, но и оказывает существенное влияние на абиотические компоненты биотопа.

В биосфере происходит непрерывный процесс создания живого вещества, аккумуляции энергии Солнца и одновременно с этим разрушения сложных органических соединений и превращения их в исходные вещества. Эти два процесса составляют сущность круговорота веществ, они неразделимы и биосфера может существовать только при одновременном их существовании.

 

[ 1, с. 49–58; 6, с. 16–27; 8, с. 24–145; 11, с. 13–47; 12, с. 16–127; 13, с. 70–202; 15, с. 29–56, 60–88; 16, с. 10–138; 17, с. 20–494; 18, с. 11–106].

 

 

3 Антропогенные воздействия на окружающую природную среду     Раньше природа устрашала человека, а теперь человек устрашает природу. Ж. И. Кусто