Круговорот веществ в природе

Академик Вильямс Василий Робертович (1863-1939), российский почвовед, академик, писал, что единственный способ придать чему-то конечному свойства бесконечного – это заставить конечное вращаться по замкнутой кривой, т.е. вовлечь его в круговорот.

Все вещества на планете Земля находятся в процессе биохимического круговорота. Выделяют два основных круговорота: большой (геологический) и малый (биотический).

Большой круговорот длится миллионы лет. Горные породы разрушаются. Выветриваются и потоками вод сносятся в Мировой океан, где образуют мощные морские напластования. Часть химических соединений растворяется в воде или потребляется биоценозом. Крупные медленные геотектонические изменения, процессы, связанные с опусканием материков и поднятием морского дна, перемещение морей и океанов в течение длительного времени приводят к тому, что эти напластования возвращаются на сушу и процесс начинается вновь.

Малый круговорот, являясь частью большого, происходит на уровне биогеоценозов и заключается в том, что питательные вещества почвы, воды, воздуха аккумулируются в растениях, расходуются на создание их массы и жизненные процессы в них. Продукты распада органического вещества под воздействием бактерий вновь разлагаются до минеральных компонентов, доступных растениям, и вовлекаются ими в поток вещества.

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 основные 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. Основная масса азота сосредоточена в атмосфере (3,8510¹⁵ т); в водах Мирового океана его содержится 2510¹³ т. В круговороте азота ведущая роль принадлежит микроорганизмам: азотофиксаторам, нитрификаторам и денитрификаторам. Ежегодно на суше в круговорот вовлекается около 4510⁹ 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.

Возврат химических веществ из неорганической среды через растительные и животные организмы обратно в неорганическую среду с использованием солнечной энергии и химических реакций называется биохимическим циклом.

В круговороте веществ участвуют три группы организмов:

Продуценты (производители) – автотрофные организмы и зеленые растения, которые, используя солнечную энергию, создают первичную продукцию живого вещества. Они потребляют углекислый газ, воду, соли и выделяют кислород. К этой группе принадлежат некоторые бактерии хемосептики, способные создавать органическое вещество.

Консументы (потребители) – гетеротрофные организмы, питающиеся за счет автотрофных и друг друга. Они подразделяются на: консументы 1-го порядка – животные, питающиеся растениями, потребляющие кислород и выделяющие углекислый газ; консументы 2-го порядка – хищники и паразиты растительных организмов; Консументы 3-го и 4-го порядка – сверхпаразиты. Всего в цепи питания существует не более 5 звеньев.

Редуценты (восстановители) – организмы, питающиеся организмами, бактериями и грибками. Здесь особенно велика роль микроорганизмов, до конца разрушающих органические остатки, превращающие их в конечные продукты: минеральные соли, углекислый газ, воду, простейшие органические вещества, поступающие в почву и вновь потребляемые растениями.

Скорость образования биологического вещества (биомассы) т.е. образование массы вещества в единицу времени, называют продуктивностью биосистемы.

В результате фотосинтеза на суше ежегодно создается 1,5.1010 – 5,5.1010 т растительной биомассы, в которой заключено около 3.1018 кДж солнечной энергии. Биомасса океанов существенно меньше, чем на суше, т.е. 3.1010 т. В океане масса животных в 30 раз больше массы растений, а на суше масса растений составляет 98 – 99 % от всей биомассы. Биологические продуктивности суши и океана примерно равны, т.к. биомасса океана состоит в основном из одноклеточных водорослей, которая обновляется ежедневно. Обновление биомассы суши происходит в течение 15 лет.

Круговорот энергии связан с круговоротом веществ. Наиболее характерны для процессов, происходящих в биосфере, круговороты основных биогенных веществ: углерода, азота, кислорода, фосфора, воды.Средняя продолжительность общего цикла обмена углерода, азота и воды, вовлеченных в биологический круговорот – 300-400 лет. В соответствии с этой скоростью освобождаются минеральные соединения, связанные в биомассе. Освобождаются и минерализуются вещества гумуса почвы.Различные вещества имеют разную скорость обмена в биосфере. К подвижным относят: хлор, серу, бор, бром, фтор. К пассивным – кремний, калий, фосфор, медь, никель, алюминий и железо. От того, насколько регулярно и полно осуществляется круговорот химических элементов, зависит продуктивность биогеоценоза.

Круговорот веществ в природе подразумевает общую согласованность места, времени и скорости процессов по уровням от популяции до биосферы. Такую согласованность явлений природы называют экологическим равновесием, но это равновесие подвижное и динамическое.В процессе своей деятельности человек постоянно воздействует на экосистему в целом или на ее отдельные звенья. Например, при отстреле животных, вырубке деревьев, загрязнении природной среды. Не всегда и не сразу это ведет к распаду всей системы, нарушению ее стабильности. Но сохранение системы не значит, что она осталась неизменной. Система трансформируется и оценить эти изменения крайне сложно.

В настоящее время на Земле практически не осталось экосистем, не подверженных влиянию человека. Воздействия человека на экосистемы так интенсивны, что организмы не успевают приспособиться к ним. На уровне отдельной особи происходят необратимые изменения: часть насекомых гибнет из-за ядовитости гербицидов, другие оказываются устойчивыми (толерантными) к ним. У некоторых отмечаются изменения в хромосомах (мутации), влияющие на наследственность.

Развитие биосферы связано с появлением человека на Земле, но длительное время воздействия человека на биосферу определялись только наличием его как биологического вида, но благодаря эволюционному развитию биологических систем животный предок человека подошел к той грани, за которой открылась возможность его социальной эволюции. Сегодня человек является частью особой социальной среды – общества. Человек обладает уникальной способностью самопознания, познания и преобразования окружающего мира.

Человек, как живое существо и человеческий род, как совокупность индивидов, подчиняется законам экосистемы и экосферы. Специфика экосистемы «человек – окружающая среда» определяется не только физическими и биологическими факторами, но и социально – экономическими условиями, которые по мере развития общества приобретают все большее значение в отношениях человека и природы. В процессе целесообразной трудовой коллективной деятельности человек воздействует на природу, меняет способы организации своей жизни, создает особые формы общественных отношений.

Биологический обмен веществ между человеком и природой сохранился. Природа остается постоянным условием жизни человека и развития общества. Однако, в результате производственной деятельности возник новый процесс обмена веществ и энергии между природой и обществом. Этот обмен уже носит техногенный характер и называется антропогенным или социальным обменом веществ и энергии.

Антропогенный обмен существенно изменяет общепланетарный круговорот веществ, резко ускоряя его. Он отличается от биотического круговорота своей незамкнутостью, носит открытый характер. На входе антропогенного обмена находятся природные ресурсы, а на выходе – производственные и бытовые отходы. Экологическое несовершенство антропогенного обмена заключается в том, что коэффициент полезного использования природных ресурсов, как правило, чрезвычайно низок, а отходы производства ухудшают природную среду, многие из них не разлагаются до природного состояния. В период научно – технического прогресса и на стадии его интенсификации масштабы и скорость антропогенного обмена резко возрастают, вызывая заметные напряжения в биосфере.

До появления человека равновесие биосферы определяли пять энергетических факторов: солнечная радиация, сила гравитации, тектонические силы, химическая энергия (окислительно-восстановительные процессы), биогенная энергия (фотосинтез у растений, хемосинтез у бактерий, усвоение и окисление пищи у животных, размножение и продуктивность у биомассы). Эти факторы развивались по геологической шкале времени и за 3,5 млрд. лет сформировали природную среду.

В настоящее время появился новый фактор – энергия мирового производства. Этот фактор развивается не по геологической, а по исторической шкале времени. От организации производства зависит сохранение или необратимое нарушение подвижного равновесия в биосфере.

На современном этапе исторического развития сложились две формы взаимодействия общества и природы: экономическая и экологическая. Экономическая форма – потребление ресурсов природы, т.е. использование их для удовлетворения человеком своих материальных и духовных потребностей. Экологическая форма – охрана окружающей природной среды с целью сохранения человека как биологического и социального организма и его естественной среды обитания.

 

БИОСФЕРА КАК АРЕНА ЖИЗНИ

Активная деятельность живых организмов охватывает относительно небольшой слой поверхностных оболочек нашей планеты. Его границы определяются комплексом условий, допускающих устойчивое существование сообществ живых организмов. Как уже отмечено, в состав биосферы входят нижняя часть атмосферы, гидросфера и поверхностные слои литосферы, преимущественно подвергшаяся выветриванию с участием живых организмов ее часть — почва (педосфера, или эдафосфера).

Каждая из этих геологических оболочек планеты имеет свои специфические свойства, которые определяют не только набор форм живых организмов, обитающих в данной части биосферы, но и их основные морфофизиологические особенности, формируя своим влиянием принципиальные пути эволюции и становление фундаментальных черт жизненных форм наземных, водных и почвенных организмов. Таким образом, воздушная, водная и почвенная оболочки земного шара представляют собой не просто пространство, заполненное жизнью, но выступают как основные среды жизни, активно формирующие ее состав и биологические свойства.

Гидросфера. В понятие гидросферы включают все типы водоемов. В наиболее общем виде принято деление гидросферы на Мировой океан, континентальные воды и подземные воды. Поскольку основная масса воды сосредоточена в водоемах океанического типа (табл. 1), свойства водной среды обычно рассматривают на примере Мирового океана. Океан занимает около 71 % поверхности Земли, тогда как на внутренние водоемы приходится лишь около 5 %.

Составляющие части гидросферы	Объем тыс. км^3	Процент от общего объема
Океан	1 370 322	93,96
Подземные воды	60 000	4,12
Ледники	24 000	1,65
Озера		0,016
Почвенная влага		0,005
Пары атмосферы		0,001
Речные воды	1,2	0,0001

Таблица 1. Распределение запасов воды в гидросфере

Составляющие части гидросферы

По мнению большинства современных ученых, жизнь зародилась в океане; свойства водной океанической среды во многом определили химико-физическую эволюцию всех форм жизни. В частности, набор химических элементов, а нередко и количественное соотношение отдельных ионов в тканях живых организмов, близки к составу морской воды даже у наземных животных и растений. Но в большинстве случаев количественное содержание ионов в теле даже морских организмов может отклоняться от соотношения их в морской воде (табл. 2). Это объясняется активным характером обмена веществ живых организмов, их способностью избирательно извлекать из среды и задерживать в своем теле определенные соли. Некоторые из них идут на построение раковин или иных скелетных структур, другие циркулируют в составе протоплазмы и иных жидкостей организма. Ионы некоторых солей.

Виды	Na+	Mg2+	Са2+	К+	Cl	SO^'
Морская вода	478,3	54,5	10,5	10,1	558,4	28,8
Медуза Aurelia	474,0	53,0	10,0	10,7	580,0	15,8
Полихета Aphrodite	476,0	54,6	10,5	10,5	557,0	26,5
Морской еж Echinus	474,0	53,5	10,6	10,1	557,0	28,7
Моллюск мидия Mytilus	474,0	52,6	11,9	12,0	553,0	28,9
Кальмар Logio	456,0	55,4	10,6	22,2	578,0	8,1
Равноногий рак Ligia	566,0	20,2	34,9	13,3	629,0	4,0
Краб Мага	488,0	44,1	13,6	12,4	554,0	14,5
Краб Carcinus	531,0	19,5	13,3	12,3	557,0	16,5
Омар Nephrops	541,0	9,3	Н,9	7,8	552,0	19,8
Миксина Myxine	537,0	18,0	5,9	9,1	542,0	16,3

Таблица 2. Средняя концентрация наиболее распространенных ионов, ммоль/кг, в морской воде и в теле некоторых морских животных, напротив, активно выводятся из организма.

Химизм воды имеет большое значение и как фактор, обусловливающий осмотические отношения организма в водной среде. Практически у всех водных организмов существуют проницаемые для воды участки поверхности, через которые идет осмотический поток воды. Направленность и сила его зависят от разницы концентраций солей и других осмотически активных веществ между водной средой и жидкостями организма. Большинство растений и морских животных изотоничны среде, но у ряда видов первичноводных животных фактор солености среды предопределил принципиальные пути эволюции органов выделения (особенно это характерно для позвоночных), а у вторичноводных — серию адаптаций, направленных на ограничение осмотического обмена с окружающей средой.

Наконец, постоянное наличие в воде растворенных и взвешенных веществ имеют большое значение как фактор питания; выделение в воду продуктов метаболизма не только освобождает организм от ненужных веществ, но и широко используется водными животными как средство химической коммуникации. Таким образом, в понятие воды как среды жизни включается обязательное наличие растворенных и взвешенных в ней веществ, в том числе имеющих органогенное происхождение.

Большое экологическое значение имеют высокая плотность и вязкость воды. Удельная масса воды соизмерима с таковой тела живых организмов (например, удельная масса тела хрящевых рыб составляет 1,002—1,008 г/см³). Плотность воды примерно в 800—1000 раз выше плотности воздуха. В результате водные организмы (особенно активно движущиеся животные) сталкиваются с достаточно мощными силами гидродинамического сопротивления, что направило эволюцию многих групп животных на формирование органов и биомеханических типов движения, снижающих лобовое сопротивление и повышающих таким образом эффективность энергозатрат на плавание.

В связи с высокой плотностью водной среды ее обитатели лишены облигатной связи с субстратом, столь характерной для наземных форм и вызванной силами гравитации. Это открывает возможность существования растений и животных в толще воды без обязательной связи с дном или другим субстратом. В толще Мирового океана и других водоемов сложились комплексы живых организмов, «парящих» в воде и вполне самостоятельно поддерживающих круговорот веществ.

Благодаря всему этому жизнь распространена в гидросфере по всей ее толщине, встречаясь даже в самых глубоководных океанических впадинах - на глубине до 11 км. Здесь, в условиях полной темноты и колоссального - более 100 атм (1 • 108 Па) - давления, обнаружены устойчивые и достаточно богатые видами сообщества, содержащие бактерий, одноклеточных и многоклеточных животных.