Биогеохимические циклы наиболее жизненно важных биогенных веществ

Наиболее жизненно важными можно считать вещества из которых в основном состоят белковые молекулы. К ним отно­сятся углерод, азот, кислород, фосфор, сера.

Биогеохимические циклы углерода, азота и кислорода (рис.6.12 ) наиболее совершенны. В кру­говоротов углерода, а точнее — наиболее подвижной его фор­мы — СО₂, четко прослеживается трофическая цепь: продуцен­ты, улавливающие углерод из атмосферы при фотосинтезе, консументы — поглощающие углерод вместе с телами проду­центов и консументов низших порядков, редуцентов — возвра­щающих углерод вновь в круговорот. Скорость оборота СО₂ составляет порядка 300 лет (полная его замена в атмосфере) (рис. 6.11). В Мировом океане трофическая цепь: продуценты (фито­планктон) — консументы (зоопланктон,рыбы) — редуценты (микроорганизмы) — осложняется тем, что некоторая часть уг­лерода мертвого организма, опускаясь на дно, «уходит» в оса­дочные породы и участвует уже не в биологическом, а в геоло­гическом круговороте вещества.

Резервуаром биологически связанного углерода яв­ляются леса, они содержат до 500 млрд т этого элемента, что составляет 2/3 его запаса в атмосфере. Вмешательство челове­ка в круговорот этого элемента приводит к возрастанию содер­жания СО₂ в атмосфере.

Рис. 6.8 Схема биогеохимического круговорота веществ на суше

Скорость круговорота кислорода — 2 тыс. лет (рис. 6.9), именно за это время весь кислород атмосферы проходит через живое вещество. Основной поставщик кислорода на Земле — зеленые растения. Ежегодно они производят на суше 53-10⁹ т кислорода, а в океанах — 414-10⁹ т.

 

Рис. 6.9. Темпы циркуляции веществ

 

Главный потребитель кислорода — животные, почвенные организмы и растения, использующие его в процессе дыхания. Процесс круговорота кислорода в биосфере весьма сложен, так как он содержится в очень многих химических соединениях.

Подсчитано, что на промышленные и бытовые нужды еже­годно расходуется 23% кислорода, который освобождается в процессе фотосинтеза.

Биогеохимический круговорот азота не менее сложен, чем углерода и кислорода, и охватывает все области биосферы. По­глощение его растениями ограничено, так как они усваивают азот только в форме соединения его с водородом и кислоро­дом. Редуценты, а конкретно почвенные бактерии, постепенно разлагают белковые вещест­ва отмерших организмов и превращают их в аммонийные со­единения, нитраты и нитриты. Часть нитратов попадает в про­цессе круговорота в подземные воды и загрязняет их.

Опасность заключается также и в том, что азот в виде нит­ратов и нитритов усваивается растениями и может передавать­ся по пищевым цепям. Азот возвращается в атмосферу вновь с выделенными при гниении газами. Роль бактерий в цикле азота такова, что если будет уничтожено только двенадцать их видов, участвующих в круговороте азота, жизнь на Земле прекратится. Так считают американские ученые.

Биогеохимический круговорот в биосфере, помимо кисло­рода, углерода и азота, совершают и многие другие элементы, входящие в состав органических веществ, — сера, фосфор, же­лезо и др.

Биогеохимические циклы фосфора и серы, важней­ших биогенных элементов, значительно менее совершенны, так как основная их масса содержится в резервном фонде зем­ной коры.

Круговорот серы и фосфора — осадочный био­геохимический цикл. Такие циклы 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.

Фосфор содержится в горных породах, образовавшихся в прошлые геологические эпохи. В биогеохимический кругово­рот он может попасть в случае подъема этих пород из глубины земной коры на поверхность суши, в зону вывет­ривания. Эрозионными процессами он выносится в море в виде минерала — апатита.

Общий круговорот фосфора можно разделить на две час­ти — водную и наземную. В водных экосистемах он усваива­ется фитопланктоном и передается по трофической цепи вплоть до консументов третьего порядка — морских птиц.

В наземных экосистемах фосфор извлекают растения из почв и далее он распространяется по трофической сети. Воз­вращается в почву после отмирания животных и растений и с их экскрементами. Теряется фосфор из почв в результате эрозии. Повышенное содержание фосфора на водных вызывает бурное увеличение биомассы вод­ных растений, «цветение» водоемов. Боль­шая же часть фосфора уносится в море и там теряется без­возвратно.

Сера также имеет основной резервный фонд в отложени­ях и почве, но в отличие от фосфора имеет резервный фонд и в атмосфере (рис. 6.15). В обменном фонде главная роль при­надлежит микроорганизмам. Одни из них восстановители, другие — окислители.

В горных породах сера встречается в виде сульфидов (FeS₂ и др.), в растворах — в форме иона (SO₄^2-), в газообразной фазе в виде сероводорода (H₂S) или сернистого газа (50д). В некото­рых организмах сера накапливается чистом виде (S₂) и при их отмирании на дне морей образуются залежи самородной серы.

Рис. 6.10. Круговорот серы

В морской среде сульфат-ион занимает второе место по со­держанию после хлора и является основной доступной формой серы, которая восстанавливается автотрофами и включается в состав аминокислот. «Кольцо» в центре схемы иллюстрирует процесс окисления (О) и восстановление (R), благодаря которым происходит обмен серы между фондом доступ­ного сульфата (SO₄,) и фондом сульфидов железа, находящихся глубоко в почве и в осадках вернет на сушу «потерян­ные отложения».

Круговорот серы,содержится в организмах в неболь­ших количествах, но является ключевым в общем процессе про­дукции и разложения. В наземных экосистемах сера возвращается в почву при от­мирании растений, захватывается микроорганизмами, которые восстанавливают ее до H₂S. Другие организмы и воздействие самого кислорода приводят к окислениюэтих продуктов. Об­разовавшиеся сульфаты растворяются и поглощаются растения­ми из поровых растворов почвы — так продолжается кругово­рот.

Однако круговорот серы, так же как и азота, может быть нарушен вмешательством человека. Причиной тому пре­жде всего сжигание ископаемого топлива, а особенно угля. Сер­нистый газ (SO_2­) нарушает процессы фотосинтеза и приводит к гибели растительности.

Биогеохимические циклы легко нарушаются человеком. Так, добывая полезные ископаемые человек, загрязняет воду и воздушную среду и др. Круговорот становится не циклическим, а ацикличе­ским. Охрана природных ресурсов должна быть, в частности, направлена на то, чтобы ациклические биогеохимические про­цессы превратить в циклические.

 

Контрольные вопросы

1.Что такое биосфера и чем она отличается от других обо­лочек Земли?

2.Из чего состоят абиотическая и биотическая части био­сферы как глобальной экосистемы?

3.Что понимал В. И. Вернадский под живым веществом и какие биохимические принципы лежат в основе биогенной миграции?

4.Как происходит большой круговорот веществ и воды в природе?

5.Как и какие важнейшие функции живого вещества обеспе­чиваются посредством малого круговорота веществ в при­роде?

6.Из каких частей состоит биогеохимический круговорот веществ?

7.В чем особенности биогеохимических циклов основных биогенных элементов?

 

Тесты для самоконтроля:

1. Биологический круговорот веществ есть:

а) обмен веществом и энергией между различными компонентами биосферы, который обусловлен приливами и отливами

b) обмен веществом и энергией между различными компонентами биосферы, который обусловлен деятельностью животных

c) обмен веществом и энергией между различными компонентами биосферы, который обусловлен жизнедеятельностью бактерий

d) обмен веществом и энергией между различными компонентами биосферы, который обусловлен жизнедеятельностью многообразия видов живых существ и носит циклический характер

2. Живое вещество находится в настоящих взаимодействии их с окружающей средой, основные виды которых:

а) вещественные, энергетические, информационные

b) вещественные, химические, физические

c) физические, химические, пространственные

d) вещественные, молекулярные, генетические

3. Живое вещество биосферы образовано совокупностью особей:

а) всех видов животных, включая человека

b) всех видов растений и животных

c) всех организмов, населяющих биосферу, включая человека

d) всех видов растений, включая человека

4. Для живого вещества биосфере наиболее важны следующие характеристики

а) продуктивность природной зоны, природное сообщество химический состав

b) разнообразие, продуктивность биомассы, химический состав, участие в круговороте веществ

c) разнообразие, продуктивность, численность особей, природная зона

d) продуктивность, круговорот веществ, химический состав, пространство

5. Что является доказательством того, что человечество становится мощной геологической силой

а) изменение климата

b) загрязнение атмосферы

c) истощение водных ресурсов

d) ухудшение здоровья населения

e) разрушение природных систем жизнеобеспечения