Жизнедеятельность биогеоценоза возможна только при условии постоянного притока энергии и круговорота веществ в нем (биотического круговорота). Однако, поскольку в жизнедеятельности биогеоценоза наряду с живыми организмами большое значение имеют химические и геологические факторы, рассматривать круговорот веществ в биогеоценозе следует с позиции биогеохимического цикла, что не тождественно биотическому круговороту, подразумевающему извлечение живыми организмами из окружающей их неживой природы больших количеств минеральных веществ и возвращение после своей смерти в окружающую среду их химических элементов, т.е. циркуляции веществ между гидросферой, литосферой, атмосферой и живыми организмами.
Круговорот веществ никогда не бывает полностью замкнутым в круг, т.к. часть органических и неорганических веществ выносится за пределы биогеоценоза и в то же время их запасы могут попoлняться за счет притока извне. Неполная замкнутость циклов в масштабах геологического времени приводит к накоплению элементов в различных природных сферах Земли. Таким образом накапливаются полезные ископаемые - уголь, нефть, газ, известняки и т.п.
Постоянный приток энергии в экосистему происходит за счет солнечного излучения, которое фотосинтезирующими организмами переводится в энергию химических связей органических соединений. Передача энергии по пищевым цепям подчиняется второму закону термодинамики: преобразование одного вида энергии в другой идет с потерей части энергии. При этом ее перераспределение подчиняется строгой закономерности: энергия, получаемая экосистемой и усваиваемая продуцентами, рассеивается или вместе с их биомассой необратимо передается консументам первого, второго и т.д. порядков, а затем редуцентам с падением потока энергии на каждом трофическом уровне. В связи с этим круговорота энергии не бывает.
О круговороте веществ можно говорить только в очень узком смысле биотического круговорота: поступления биогенных элементов (углерода, кислорода, азота и пр.) к живым организмам и возвращение этих же биогенных элементов в окружающую среду (т.е. потребление и возврат биогенных элементов происходит по кругу).
В биогеоценозе круговорот веществ происходит как между геосферами (атмосферой, гидросферой, земной корой, гранитной, базальтовой и другими сферами) в пределах 10-20 км (местами 50-60 км) от поверхности Земли, так и между некоторыми геосферами и живыми организмами. Непосредственно непрерывный круговорот веществ наблюдается в атмосфере, гидросфере, верхней части твёрдой литосферы и в биосфере. К геологической силе в этом круговороте в настоящее время добавилась деятельность человека.
Таким образом, различают два основных круговорота:
- большой (геологический) - продолжающийся миллионы лет, 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.
- малый (биотический) - (часть большого), происходит на уровне экосистемы и состоит в том, что питательные вещества, вода и углерод аккумулируются в веществе растений, расходуются на построение тела и на жизненные процессы как самих этих растений, так и других организмов (как правило животных), которые поедают эти растения (консументы). Продукты распада органического вещества под действием деструкторов и микроорганизмов (бактерии, грибы, черви) вновь разлагаются до минеральных компонентов, доступных растениям и вовлекаемых ими в потоки вещества.
которые в совокупности называются биогеохимическим циклом. В такие циклы вовлечены практически все химические элементы и прежде всего те, которые участвуют в построении живой клетки, например, тела человека, которое состоит из кислорода (62,8%), углерода (19,37%), водорода (9,31%), азота (5,14%), кальция (1,38%), фосфора (0,64%) и ещё примерно из 30 элементов.
Самый интенсивный биогеохимический цикл. В природе углерод существует в двух основных формах – в карбонатах (известняк, мел, мрамор ) и органических полезных ископаемых (нефть, уголь, природный газ). Все эти вещества обладают низкой химической активностью и потому лишь в очень незначительной степени используются живыми организмами. В биотическом круговороте участвуют преимущественно лишь те части углерода, которые находятся в атмосфере, гидросфере и живых организмах.
В атмосферном воздухе углерод содержится в виде углекислого газа, на долю которого приходится 0,03%. Последний поглощается растениями и идет на образование органического вещества в процессе фотосинтеза. Растения поедаются растительноядными животными, в организме которых углерод в составе органических соединений проходит по цепи обменных реакций. Часть его накапливается в их организме, часть удаляется с продуктами жизнедеятельности. Углекислый газ выделяется в процессе дыхания животных и растений. Погибшие растения и животные подвергаются воздействию микроорганизмов-редуцентов (бактерии, грибы), которые разлагая их, переводят углеродсодержащие вещества в углекислый газ, который вновь возвращается в атмосферу. При этом в биотический круговорот возвращается метан (СН 4), вода и соединения азота (NH 4 , CO(NH 2) 2 , NO 2 , NO 3). Огромное количество метана выделяют метановые бактерии, которые обитают в почве и болотах. Кроме того, запасы углерода в атмосфере пополняются за счет вулканической деятельности и сжигания человеком горючих ископаемых.
Основная часть поступающего в атмосферу диоксида углерода поглощается океанами и морями (поскольку он хорошо растворяется в воде)
СО 2 + Н 2 0 --> Н 2 СО 3 --> Н + + НСО 3 -
и откладывается в виде нерастворимого в воде карбоната кальция после соединения карбонат-иона (НСО 3 -) с кальцием
Са 2+ + НСО 3 - --> Са 2 СО 3 + Н +
Карбонат кальция выпадает в донные отложения водоемов. Он также поглощается водными организмами и используется ими для постройки раковинок (моллюски) или внешних покровов тела (ракообразные). Обыкновенный мел образован слежавшимися остатками раковинок ископаемых моллюсков. Таким образом доля излишнего СО 2 поглощается Мировым океаном и выводится из биотическогo круговорота. Однако способность Мирового океана к поглощению избытка СО 2 не безгранична и, как считается, в настоящее время близка к исчерпанию. Соответственно атмосферная часть СО 2 медленно, но неуклонно повышается. По данным расчетов в 2025 году в атмосферу Земли будет выпущено 26 млрд. тонн углерода в составе углекислого газа, что соответствует ежегодному приросту 3,4%.
Круговорот кислорода тесно взаимосвязан с круговоротом углерода поскольку оба элемента входят в состав углекислого газа и являются важнейшими компонентами всех органических соединений - углеводов, жиров и белков, нуклеиновых кислот, макроэргических соединений.
В количественном отношении главной составляющей живой материи является кислород, круговорот которого осложнён его способностью вступать в различные химические реакции, главным образом реакции окисления. В результате возникает множество локальных циклов, происходящих между атмосферой, гидросферой и литосферой.
Кислород, содержащийся в атмосфере, имеет биогенное происхождение и рассматривается как продукт фотосинтеза, который поддерживает его содержание в атмосфере около 21% Кроме того, большое количество кислорода содержится в самых распространенных минералах земной коры - песчаных породах (SiO 2), железных (Fe 2 O 3) и алюминиевых (Al 2 O 3) рудах, которое, однако, не участвует в биотическом круговороте, т.к. эти вещества обладают низкой химической активностью и потому лишь в очень незначительной степени используются живыми организмами. В биотическом круговороте участвуют преимущественно лишь те части кислорода, которые, как и углерод, находятся в атмосфере, гидросфере и живых организмах.
Свободный кислород используется для дыхания всеми аэробными микроорганизмами и идет на окисление органических веществ в результате чего выделяется конечный продукт окисления - углекислый газ. В составе углекислого газа кислород возвращается во внешнюю среду и этот его круговорот обеспечивает круговорот всех биогенных элементов, так как освобождение энергии из органических и неорганических соединений сопровождается расщеплением их в ходе окислительных реакций. В некотором отношении круговорот кислорода напоминает обратный круговорот углекислого газа.
Отметим, что, начиная с определённой концентрации, кислород очень токсичен для клеток и тканей (даже у аэробных организмов). А живой анаэробный организм не может выдержать (это было доказано ещё в прошлом веке Л. Пастером) концентрацию кислорода, превышающую атмосферную на 1%.
Потребление атмосферного кислорода и его возмещение растениями в процессе фотосинтеза осуществляется довольно быстро. Расчёты показывают, что для полного обновления всего атмосферного кислорода требуется около двух тысяч лет. С другой стороны, для того, чтобы все молекулы воды гидросферы были подвергнуты фотолизу и вновь синтезированы живыми организмами, необходимо два миллиона лет.
Часть кислорода, поступающего в атмосферу может фиксироваться литосферой в виде карбонатов, сульфатов, оксида железа, остальная часть циркулирует в биосфере в виде газов или сульфатов, растворенных в океанических и континентальных водах.
Таким образом , круговорот углерода и кислорода взаимосвязаны процессами фотосинтеза и дыхания: при фотосинтезе углекислый газ поглощается (фиксируется организмами), а углерод, содержащийся в нем используется для образования органических веществ при участии воды, света и фотосинтетических пигментов. Выделяющийся кислород образуется при расщеплении воды, а выделяющийся углекислый газ - за счет дыхания и разложения органических соединений.
Процессы фотосинтеза с одной стороны, дыхания и разложения органических соединений с другой взаимно уравновешивают друг друга. Поэтому количество углерода и кислорода, участвующих в биотическом круговороте остается достаточно постоянным. Вовлечение в эту систему углерода, образующегося в результате геологических процессов (извержение вулканов, пожары и химическое взаимодействие с различными соединениями) незначительно, однако при нарушении продукции и деструкции органического вещества возможны предпосылки как для усиленного образования органических полезных ископаемых (каменных углей, горючих сланцев и т.д.), так и для замедления этого процесса.
Антропогенные факторы (развитие промышленности, сжигание органического топлива, войны, вспашка почвы при ведении сельского хозяйства, сокращение площади лесов - тропических лесов Амазонской низменности, Тропической Африки и Юго-Восточной Азии, являющихся основными производителями кислорода на планете и пр.) могут более выраженно нарушать равновесие между этими биотическими элементами. За последние 100 лет, пусть и незначительно, но содержание кислорода в атмосфере понижается. Это не представляет опасности для дыхания живых организмов ни сейчас, ни в отдаленном будущем, однако приводит к уменьшению содержания озона в верхних слоях атмосферы ("озоновые дыры"), что способствует увеличению потока жесткого ультрафиолетового излучения, достигающего поверхности Земли.
Повышение концентрации СО 2 в атмосфере вызывает парниковый эффект. Он обусловлен тем, что СО 2 и другие парниковые газы, например, метан, препятствует тепловому потоку, излучаемому нагретой солнечными лучами земной поверхностью уходить в космическое пространство. Это приводит к постоянному повышению температуры надземного слоя атмосферы и пока к очень медленному (до 1-2 мм в год) повышению уровня Мирового океана, значительному сокращению площади вечных льдов Северного Ледовитого океана, отступлению на север кромки арктических льдов и южных границ зон тундры и лесотундры.
С другой стороны повышение содержания пыли, дымов и других твердых загрязнителей в атмосфере может снизить температуру приземных слоев атмосферы, поскольку пыль отражает солнечные лучи в космическое пространство, что уменьшает нагрев ими земной поверхности (эффект зеркала). Математическое моделирование последствий военного конфликта даже с ограниченным применением ядерного оружия показало, что задымление и запыление атмосферы может привести к понижению средней температуры на поверхности Земли на 5-6°С, что вызовет наступление нового ледникового периода ("ядерная зима").
От того, какой из возможных сценариев развития атмосферных процессов ("всемирный потоп" или "ледниковый период") может реализоваться в результате вмешательства человека, во многом зависит будущее человечества.
Азот является одним из основных биогенных элементов, входящий в состав белков. В живых организмах содержится в среднем 3% азота. На Земле запасы азота огромны. Только в атмосфере его содержание по объему составляет 79%.
Газообразный азот возникает в результате реакции окисления аммиака, образующегося при извержении вулканов (это ювенильный азот, который ранее не входил в состав биосферы) и разложении биологических отходов. Однако в свободном состоянии он не усваивается ни высшими растениями, ни животными. Молекулярный азот обладает очень слабой реакционной способностью, он не ядовит, но и не поддерживает жизненных процессов. Само название "азот" в переводе с древнегреческого означает "безжизненный" (а - отрицательная частицы, "зоон" - жизнь).
Эукариоты могут использовать только "связанный азот", входящий в состав неорганических и органических веществ, таких как аммиак (NH 4), нитриты (NО 2 - ) и нитраты (NО 3 - ), а также белков.
В органические соединения свободный (молекулярный) азот переводят азотфиксирующие бактерии и сине-зеленые водоросли. Кроме того, незначительная часть свободного азота под действием электрических разрядов в атмосфере может превращаться в соединении с водой в азотистую и азотную кислоты. Последние, поступая в почву, образуют соли. В связанном состоянии азот (в виде нитрат-ионов (NО 3 - ) и ионов аммония (NH 4 +)) усваивается растениями [показать] и используется для синтеза белков.
От количества связанного азота в почве в огромной степени зависит ее плодородие. Еще в Древней Греции и Риме знали, что бобовые растения (фасоль, горох) резко повышают плодородие почвы, тогда как остальные культуры ее снижают. Об этом писали основоположник ботаники Теофраст, римские ученые Катон, Варрон, Плиний Старшй и Вергилий. Однако только в 1830 году французский агрохимик Ж.Б. Буссенго обнаружил, что бобовые обогащают почву азотом, но ошибочно полагал, что растения по какой-то причине умеют фиксировать молекулярный азот атмосферы. На самом деле, бобовые получают азот путём симбиотической азотфиксации благодаря клубеньковым бактериям, что было показано М.С. Ворониным в 1866 году и подтверждено Г. Гельригелем.
Клубеньковые бактерии - это особые азотфиксирующие бактерии на корневой системе растений семейства бобовых. Свое название они получили из-за способности образовывать на корнях особые утолщения (клубеньки). Клубеньковые бактерии - самые активные потребители азота, превращающего его в нитраты. В нaстоящее время известно около 13 тысяч видов бобовых растений, на корнях которых поселяются азотфиксирующие бактерии. Кроме того, последние поселяются и на корнях около 200 видов растений из других семейств, например, ольхи, облепихи и др.
Среди азотфиксирующих бактерий имеются и свободноживущие виды, обитающие в почве, воде, донных илах и т.д. Некоторые виды встречаются даже в рубце жвачных животных.
Фиксировать азот способы также некоторые актиномицеты и цианобактерии. Поэтому последние способны жить в водоемах, почти не содержащих биогенных элементов, например, в геотермальных источниках. Высокие урожаи риса в странах Юго-Восточной Азии во многом обусловлены тем, что на затапливаемых водой рисовых полях интенсивно развиваются цианобактерии, обогащающие донный ил связанным азотом.
Азотфиксирующие цианобактерии образуют мутуалистические ассоциации с некоторыми видами мхов, например, со сфагнумом, водным папоротником азоллой, голосемянными и цветковыми растениями. Симбионтная фиксация азота оценивается в среднем в 100-200 кг на га в год, а его фиксация свободноживущими организмами - только 1-5 кг на га в год.
Считается, что биологическая фиксация азота в биосфере составляет 150 миллионов тонн. Для сравнения, мировое производство азотных удобрений в 2000 г. равнялось 85 миллионов тонн.
Механизм биологический фиксации азота контролирует небольшая группа компактно расположенных 20 генов (nif-система). Ее структура у разных у разных групп азотфиксаторов (бактерии, цианобактерии) практически одинакова. Некоторые вирусы способны отрывать nif-систему от молекулы ДНК азотфиксирующей бактерии и присоединять ее к ДНК других видов бактерий. Предполагается, что nif-система возникла сравнительно недавно у какого-нибудь одного вида бактерий; затем она посредством вирусов была перенесена в другие виды бактерий и цианобактерий.
Растения, имеющие симбионтов-азотфиксаторов, часто являются пионерными видами, которые поселяются на бедных азотом почвах на начальных стадиях сукцессии. В результате их деятельности содержание связанного азота в почве может повыситься настолько, что оно перестает быть лимитирующим фактором для других видов растений. Поэтому в процессе сукцессии такие почвы быстро заселяются другими видами растений, которые затем вытесняют пионерные виды. Поэтому бобовые растения практически никогда не доминируют в климаксных сообществах. По этой же причине в сельском хозяйстве невозможно выращивать на одном и том же поле несколько лет подряд бобовые растения. Их посевы глушатся сорняками, интенсивно развивающимися на обогащенных азотом почвах. Поэтому бобовые растения иногда называют "рaстениями-самоубийцами" или "растениями-камикадзе".
Растительные белки употребляются животными и человеком в пищу. В их организмах белки расщепляются до аминокислот и мочевины, выделяющейся затем во внешнюю среду. После отмирания организмов гнилостные (аммонифицирующие) бактерии разлагают азотсодержащие соединения до аммиака, а хемосинтезирующие (нитрифицирующие) бактерии переводят аммиак в соли азотистой и азотной кислот, которые вновь могут быть усвоены растениями. Эти реакции идут с выделением энергии, которая используется нитрификаторами для образования АТФ и синтеза органических соединений. Поэтому процессы нитрификации иногда называют "азотным дыханием".
Денитрифицирующие бактерии разлагают аммиак до свободного азота. Результатом является обеднение почвы и воды соединениями азота и пополнение молекулярным азотом атмосферы. Некоторое количество соединений азота оседает в глубоководных отложениях и надолго (миллионы лет) выключается из круговорота. Эти потери компенсируются поступлением азота в атмосферу с вулканическими газами. Так замыкается круговорот азота.
Деятельность азотфиксирующих и денитрифицирующих бактерий взаимно уравновешивает друг друга. Поэтому количество атмосферного азота, связываемого азотфиксаторами, приблизительно равно его количеству, возвращаемому денитрификаторами в атмосферу, что позволяет поддерживать запасы азота в биосфере на постоянном уровне. Период круговорота всего запаса азота в биосфере оценивается приблизительно в 1000 лет.
Сельскохозяйственная деятельность человека, направленная на получение высоких урожаев сельскохозяйственных культур, изменяет баланс азота в биогеоценозе за счет внесения в почу азотных удобрений. Это могут быть как органические удобрения - торфокрошка, перегнившая листва, продукты жизнедеятельности живых организмов (гуано - экскременты птиц), так и минеральные удобрения (суперфосфат, аммиачная селитра и др.), промышленное производство которых постоянно растет.
Широкое и в ряде случаев неправильное применение минеральных удобрений (азотных, фосфорных, калийных) в сельском хозяйстве приводит к вымыванию их атмосферными осадками и грунтовыми водами из почвы в водоемы. Особенно большое количество соединений азота накапливается в стоячих водоемах - прудах, малопроточных озерах, а также в колодцах, берущих воду из самого верхнего водоносного слоя, повышая предельно допустимую концентрацию азота в питьевой воде.
Повышение содержания биогенных элементов в водоеме приводит к их эвтрофированию, интенсивному развитию в них автотрофных организмов, в первую очередь планктонных водорослей. Ее наглядным примером является цветение водоемов, что имеет такие неприятные последствия, как снижение рекреационных свойств водоемов, ухудшение качества воды, гибель многих видов водных организмов, в том числе рыб. Поэтому в последние годы разрабатываются нетрадиционные методы увеличения содержания азота в почве:
- Налажено выращивание ряда штаммов азотфиксирующих бактерий на заводах белково-витаминных препаратов. Их концентрированную культуру в сочетании с минеральными удобрениями вносят в почву или добавляют в корм скоту.
- Делаются эксперименты по внедрению генов азотфиксирующих бактерий, которые регулируют фиксацию азота, в другие виды почвенных бактерий.
- Проводятся исследования по выведению штаммов азотфиксирующих бактерий, которые могли бы развиваться на корнях культурных растений, например, злаковых, и крестоцветных и пасленовых.
В количественном отношении вода самая распространённая неорганическая составляющая живой материи. В трех агрегатных состояниях она присутствует во всех составных частях биосферы: атмосфере, гидросфере и литосфере. Если воду, находящуюся в различных гидрогеологических формах, равномерно распределить по соответствующим областям земного шара, то образуются слои следующей толщины:
- для Мирового океана 2700 м,
- для ледников 100 м,
- для подземных вод 15 м,
- для поверхностных пресных вод 0,4 м,
- для атмосферной влаги 0,03 м.
Круговорот воды - это замкнутый цикл, который может совершаться и в отсутствии жизни, но живые организмы видоизменяют его.
Основную роль в циркуляции и биогеохимическом круговороте воды играет атмосферная влага, несмотря на относительно малую толщину её слоя. Под действием энергии Солнца вода испаряется с поверхности водоемов и воздушными течениями переносится на большие расстояния. Выпадая на поверхность суши в виде осадков, она расходуется на просачивание (инфильтрацию), испарение и сток.
Просачивание особенно важно для наземных экосистем, так как способствует снабжению почвы водой и, способствуя разрушению горных пород, делает составляющие их минералы доступными для растений, микроорганизмов и животных. В процессе инфильтрации вода, размывая верхний почвенный слой, вместе с растворенными в ней химическими соединениями и взвешенными органическими и неорганическими частицами, поступает в водоносные горизонты, подземные реки, моря и океаны.
Испарение воды происходит двояким способом: значительное количество воды выделяют сами растения своей листвой после извлечения ее из почвы; другая часть воды испаряется с поверхности почвы. Суммарное испарение (деревья и почва) играют главную роль в круговороте воды на континентах.
Сток воды - процесс стекания дождевых, талых и подземных вод в водоемы происходящий по земной поверхности (поверхностный сток) и в толще земной коры (подземный сток). Сток также является составным звеном влагооборота на Земле и состоит из трех фаз: половодье, паводки, межень. Особенностью стока является его изменчивость в пространстве и во времени. Различают русловой и склоновый стоки. При уменьшении плотности растительного покрова сток становится основной причиной эрозии почвы.
Вода участвует и в биологическом цикле, являясь источником кислорода, который поступает в атмосферу и водорода, который фиксируется в виде органических соединений. Однако фотолиз воды в клетках растений при фотосинтезе не играет существенной роли в процессе круговорота. Также не играет существенной роли потребяемая животными вода, которая выделяется во внешнюю среду вместе с продуктами обмена веществ.
| Содержание | |
| в органической природе | в неорганической природной среде |
|
|
| Сера представляет собой исключительно активный химический элемент биосферы и мигрирует в разных валентных состояниях в зависимости от окислительно-восстановительных условий среды. | |
Из природных источников сера попадает в атмосферу в виде сероводорода, диоксида серы и частиц сульфатных солей. Техногенные выбросы серы в атмосферу (в основном в виде оксилов) происходят при сгорании органического топлива. В атмосфере протекают реакции, приводящие к кислотным осадкам:
2SO 2 + O 2 --> 2SO 3 ,
SO 3 + H 2 O --> 2H + + SO 4 2- .
Со стоками воды сера попадает в Мировой океан и поглощается морскими обитателями. Особенно много серы накапливается в моллюсках. Круговорот серы в морях происходит благодаря сульфатредуцирующим бактериям. Некоторые из них накапливают серу в своих организмах, а после гибели бактерии вся сера остается на дне океана.
На континентах круговорот серы происходит благодаря растениям. Хемосинтезирующие бактерии, способные получать энергию путем окисления восстановленных соединений серы, переводят серу в доступную для усвоения растениями форму. В растениях синтезируются серосодержащие аминокислоты – цистеин, цистин, метионин, поступающие в пищу. При отмирании растений сере вновь переходит в почву, где бактериями органическая серы восстанавливается до мнеральной, а затем вновь окисляется до сульфатов, которые поглощаются корнями растений. Глубоко залегающие сульфаты вовлекаются в круговорот другой группой микроорганизмов, восстанавливающих сульфаты до сероводорода (рис. 77).
Из пород земной коры неорганический фосфор частично вымывается осадками и попадает в речные системы, моря и океаны, а частично поглощается растениями, которые при его участии синтезируют различные органические соединения и таким образом включаются в трофические цепи. По пищевым цепям фосфор переходит от растений ко всем прочим организмам экосистемы. Затем органические фосфаты вместе с выделениями или трупами возвращаются в землю, где снова подвергаются воздействию микроорганизмов и превращаются в формы, употребляемые зелёными растениями. Круговорот здесь проходит в естественных оптимальных условиях с минимумом потерь.
В водных источниках, в связи с постоянным оседанием органических веществ, часть фосфора оседает в глубоководных отложениях и выключается из круговорота до тектонических подвижек, способных поднять осадочные породы к поверхности. Другая часть фосфора включается в круговорот, способствует развитию фитопланктона и живых организмов и благодаря вылову рыбы в незначительных количествах возвращается на сушу.
Кроме того, большое влияние на кругооборот фосфора оказывает деятельность человека. Добыча большого количества фосфатных руд для минеральных удобрений приводит к уменьшению количества фосфора в одном биогеоценозе и увеличивает в другом. Стоки с полей, ферм и коммунальные отходы, содержащие фосфор из моющих средств, приводят к увеличению фосфат-ионов в водоемах, к резкому росту водных растений и нарушению равновесия в водных экосистемах.
Круговорот радиоактивных веществ
С 1944 года человек начал вводить в биогеохимический круговорот радиоактивные вещества. Значение некоторых из них можно проиллюстрировать на примере стронция-90. В цикле образования и эрозии осадков стронций перемещается вместе с кальцием. Кальций составляет 7% материала, переносимого реками. Стронций попадает вместе с кальцием в систему биологического круговорота. На Крайнем Севере, где выпадало большое количество радиоактивных осадков, лишайники поглощают почти 100% радиоактивных частиц, падающих на землю. Северные олени, питающиеся лишайниками, концентрируют стронций в своем организме, а затем он накапливается в тканях людей, употребляющих в пищу мясо этих животных; в организме некоторых людей уже сейчас содержится 1/3-1/2 допустимой дозы стронция. Эта проблема существует и в других районах. В Европе и Северной Америке отмечено неуклонное повышение содержания стронция в костях у детей и взрослых, получивших его с молоком от коров, которые в свою очередь получили его от растений. Накопление радиоактивных изотопов в организмах часто используют для определения трофических связей организмов в сообществах.
Вывод
Таким образом, биотические и геологические циклы позволяют поддерживать существование жизни на земле. При этом интенсивность жизнедеятельности всех трех основных слагаемых органического мира – продуцентов (производителей), консументов (потребителей) и редуцентов (разрушителей) – обязательно находится во взаимном равновесии и испытывая на себе влияние факторов неживой природы, своей деятельностью изменяют условия окружающей среды, т.е. среды своего обитания. Это приводит к изменению структуры всего сообщества - биоценоза.
Круговорот воды. Круговорот кислорода. Круговорот углерода
Жизнь, возникнув на Земле, на протяжении миллиардов лет находится в постоянном развитии. Это происходит благодаря тому, что элементы живого вещества, поступающие из окружающей среды, пройдя через ряд организмов, снова возвращаются во внешнюю среду, а затем опять включаются в состав живого вещества (рис. 8). Таким образом, каждый элемент используется живой материей многократно.
Именно круговоротом веществ обусловлено неограниченное временем существование, постоянное развитие и совершенствование жизни на Земле.
Рис. 8. Схема биологического круговорота
Все процессы на Земле на исходном этапе обеспечиваются энергией Солнца. Наша планета получает от Солнца 4–5·10 13 ккал/с. Только 0,1–0,2 % солнечной энергии поглощается растениями, однако эта энергия совершает огромную работу: она «запускает» процессы биосинтеза и трансформируется в энергию химических связей синтезируемых органических веществ. Биогенные элементы в отличие от энергии удерживаются в экосистеме, где они совершают непрерывный круговорот, в котором участвуют как живые организмы, так и физическая среда.
Поскольку растения и животные могут использовать только те биогенные элементы, которые находятся на поверхности Земли или вблизи нее, для сохранения жизни необходимо, чтобы вещества, ассимилированные живыми организмами, в конечном счете становились доступными другим организмам.
Каждый химический элемент, совершая круговорот в экосистеме, следует по своему особому пути, но все круговороты приводятся в движение энергией, и участвующие в них элементы попеременно переходят из органической формы в неорганическую и наоборот.
Энергия Солнца вызывает движение двух круговоротов – большого геологического и малого биологического. Большой, или геологический, круговорот –круговорот веществ в системе: геохимический поток суши – гидрографическая сеть – океан – воздушные массы – аэрозоли – геохимический поток суши. Наиболее ярко проявляется в круговороте воды и циркуляции атмосферы. Малый, биологический (биотический), – поступление химических элементов из почвы и атмосферы в живые организмы; превращение в них поступающих элементов в новые сложные соединения и возвращение их в почву и атмосферу в процессе жизнедеятельности с ежегодным опадом части органического вещества или с полностью отмершими организмами, входящими в состав экосистемы.
Оба круговорота взаимно связаны и представляют собой единый процесс движения вещества на нашей планете.
Как было отмечено в лекциях 1–5, для любой экосистемы (основной структурной единицы биосферы) характерен постоянный обмен веществом, энергией и информацией между отдельными ее компонентами. Обмен биогенными элементами между живыми организмами и неживыми компонентами в большинстве сообществ сбалансирован. Экосистему можно представить в виде ряда блоков, через которые проходят различные вещества и в которых эти вещества могут оставаться на протяжении длительного времени. В круговоротах минеральных веществ в экосистеме в большинстве случаев участвуют три активных блока: живые организмы, мертвый органический детрит и доступные неорганические вещества. Два добавочных блока – косвенно доступные неорганические вещества и осаждающиеся органические вещества – связаны с круговоротами биогенных элементов в каких-то периферических участках, однако обмен между этими блоками и остальной экосистемой замедлен по сравнению с обменом, происходящим между активными блоками.
Живые организмы и биосфера в целом состоят из тех же химических элементов, которые встречаются в окружающей среде. Для синтеза биомассы необходимо около 40 элементов, из которых самыми важными являются углерод, азот, кислород, водород, фосфор и сера. Их называют биогенными элементами. Основную биомассу дают углерод, кислород, водород. Они составляют 99,9 % веса живых организмов, образуют 99 % веса всей земной коры нашей планеты и тем самым обеспечивают устойчивость жизни на Земле. Все остальные химические элементы находятся в рассеянном состоянии. Большую часть веса живых организмов дают О 2 и С. Они составляют от 50 до 90 % их сухого абсолютного веса.
Биогенные элементы, попеременно переходя из живой материи
в неорганическую, участвуют в различных биогеохимических циклах.
Биогеохимические циклы – круговорот химических элементов: из неорганической природы через растительные и животные организмы обратно в неорганическую. Совершается с использованием солнечной энергии и энергии химических реакций.
Согласно закону биогенной миграции атомов В. И. Вернадского
«миграция химических элементов на земной поверхности и в биосфере
в целом осуществляется или при непосредственном участии живого вещества (биогенная миграция), или же она протекает в среде, геохимические особенности которой обусловлены живым веществом, как тем, которое в настоящее время населяет биосферу, так и тем, которое действовало на Земле в течение всей геологической истории».
Биогеохимические циклы можно разделить на две группы:
круговорот газов, в которых атмосфера служит главным резервуаром элемента (углерод, азот, кислород, вода);
круговороты осадочные, элементы которых в твердом состоянии входят в состав осадочных пород (фосфор, сера и др.).
Обмен биогенными элементами между живыми организмами и неорганической средой в большинстве сообществ сбалансирован.
В результате количество биомассы живого вещества биосферы Земли приобретает тенденцию к определенному постоянству. Биомасса биосферы (2·10 12 г) на семь порядков меньше массы земной коры (2·10 19 т). Растения Земли ежегодно продуцируют органическое вещество, равное 1,6·10 11 т, или 8 % биомассы биосферы. Деструкторы, составляющие менее 1 % от суммарной биомассы организмов планеты, перерабатывают массу органического вещества, в 10 раз превосходящую их собственную биомассу. В среднем период обновления биомассы равен 12,5 года.
Существование биогенных круговоротов создает возможность для саморегуляции (гомеостаза) системы, что придает экосистеме устойчивость - постоянство процентного содержания различных элементов. Таким образом, действует основной принцип функционирования экосистем: получение ресурсов и избавление от отходов происходит в рамках круговорота всех элементов.
Рассмотрим более подробно циклы основных биогенных элементов. Начнем с круговорота воды, поскольку в экосистемах он оказывает решающее значение на передвижение кислорода и водорода. Организмы быстро теряют воду путем испарения и выделения, за время жизни особи вода, содержащаяся в организме, может обновляться сотни и тысячи раз.
Круговорот воды
Круговорот воды – один из главных компонентов абиотической циркуляции веществ, включает переход воды из жидкого в газообразное и твердое состояние и обратно (рис. 9). Он обладает всеми основными чертами других круговоротов – также примерно сбалансирован в масштабе всего земного шара и приводится в движение энергией. Круговорот воды – самый значительный по переносимым массам и затратам энергии круговорот на Земле. Каждую секунду в него вовлекается 16,5 млн м 3 воды и тратится на это более 40 млрд МВт солнечной энергии.
 |
Рис. 9. Круговорот воды в природе
Основные процессы, обеспечивающие круговорот воды, – инфильтрация, испарение, сток :
1. Инфильтрация – испарение –транспирация: вода впитывается почвой, удерживается в качестве капиллярной воды, а затем возвращается в атмосферу, испаряясь с поверхности земли, или же поглощается растениями и выделяется в виде паров при транспирации;
2. Поверхностный и внутрипочвенный сток: вода становится частью поверхностных вод. Движение грунтовых вод: вода попадает под землю и движется сквозь нее, питая колодцы и родники, вновь попадает в систему поверхностных вод.
Таким образом, круговорот воды можно представить в виде двух энергетических путей: верхний путь (испарение) приводится в движение солнечной энергией, нижний (выпадение осадков)– отдает энергию озерам, рекам, заболоченным землям, другим экосистемам и непосредственно человеку, например на ГЭС. Деятельность человека оказывает огромное влияние на глобальный круговорот воды, что может изменять погоду и климат. В результате покрытия земной поверхности непроницаемыми для воды материалами, строительства оросительных систем, уплотнения пахотных земель, уничтожения лесов и т. п. сток воды в океан увеличивается и пополнение фонда грунтовых вод сокращается. Во многих сухих областях эти резервуары выкачиваются человеком быстрее, чем заполняются.
В России для водоснабжения и орошения земель разведано 3 367 месторождений подземных вод. Эксплуатационные запасы разведанных месторождений составляют 28,5 км 3 /год. Степень освоения этих запасов составляет в РФ не более 33 %, а в эксплуатации находится 1 610 месторождений.
Особенность круговорота в том, что из океана испаряется воды больше (примерно 3,8·10 14 т), чем возвращается с осадками (примерно 3,4·10 14 т). На суше, наоборот, осадков выпадает больше (примерно 1,0·10 14 т), чем испаряется (суммарно около 0,6·10 14 т). В связи с тем, что из океана воды испаряется больше, чем возвращается, значительная часть осадков, используемых экосистемами суши, в том числе и агроэкосистемами, производящими пищу для человека, состоит из воды, испаряющейся из моря. Излишки воды с суши стекают в озера и реки, а оттуда снова в океан. По существующим оценкам, в пресных водоемах (озерах и реках) содержится 0,25·10 14 т воды, а годовой сток составляет 0,2·10 14 тонн. Таким образом, время оборота пресных вод составляет примерно один год. Разность между количеством осадков, выпадающих на сушу за год (1,0·10 14 т), и стоком (0,2·10 14 т) составляет 0,8·10 14 т, которые испаряются и поступают в подпочвенные водоносные горизонты. Поверхностный сток частично пополняет резервуары грунтовых вод и сам пополняется от них.
Атмосферные осадки являются основным звеном влагооборота и во многом определяют гидрологический режим экосистем суши. Их распределение по территории, особенно в горах, неравномерно, что связано с особенностями атмосферных процессов и подстилающей поверхности. Так, например, для лесотундровых редколесий Путоранской лесорастительной провинции Средней Сибири годовая сумма осадков составляет
617 мм, для северотаежных лесов Нижне-Тунгусского лесорастительного округа – 548, а для южнотаежных лесов Приангарья она уменьшается до 465 мм (табл. 2).
Испарению принадлежит одно из ведущих мест. С появлением жизни на Земле круговорот воды стал относительно сложным, так как к физическому явлению превращения воды в пар добавился процесс биологического испарения, связанный с жизнедеятельностью растений и животных – транспирация
. Наряду с осадками и стоком эвапотранспирация, включающая испарение перехваченных осадков, транспирационный расход влаги растениями и подпологовое испарение, является основной расходной статьей водного баланса, особенно в лесных экосистемах. Например,
в тропическом влажном лесу количество воды, испаряемой растениями, достигает 7000 м 3 /км 2 в год, тогда как в саванне на той же широте и высоте с той же площади оно не превышает 3000 м 3 /км 2 в год.
Растительность в целом играет значительную роль в испарении воды, влияя тем самым на климат регионов. Интенсивность эвапотранспирации зависит от радиационного баланса и различной продуктивности растительности. Как видно из табл. 2, при увеличении надземной фитомассы вследствие большего испарения перехваченных осадков и транспирационного расхода влаги суммарное испарение возрастает.
Таблица 2
Эвапотранспирация лесных экосистем Енисейского меридиана
* – Ведрова и др. (из кн. Лесные экосистемы Енисейского меридиана, 2002);
**, *** – Буренина и др.(там же).
Кроме того, высшая растительность выполняет очень важную для наземных экосистем водоохранную и водорегулирующую функцию: смягчает паводки, удерживая влагу в почвах и препятствуя их иссушению и эрозии. Например, при вырубке леса в одних случаях увеличивается вероятность затопления и заболачивания территории, в других – прекращающийся процесс транспирации может привести к «осушению» климата. Обезлесение негативно влияет на подземные воды, снижая способность местности задерживать осадки. В некоторых местах леса помогают пополнять водоносные слои, хотя в большинстве случаев леса как раз истощают их.
Таблица 3
Долевое соотношение пресных и соленых вод на Земле
Общие запасы воды на Земле оцениваются приблизительно от 1,5 до 2,5 млрд км 3 . Соленая вода составляет около 97 % объема водной массы, на Мировой океан приходится 96,5 % (табл. 3). Объем пресных вод, по разным оценкам, составляет 35–37 млн км 3 , или 2,5–2,7 % общих запасов воды на Земле. Большая часть пресных вод (68–70 %) сосредоточена в ледниках и снежном покрове (по Реймерсу, 1990).
Круговорот кислорода
Кислород – самый распространенный на Земле элемент, на его долю (в составе различных соединений, главным образом силикатов) приходится около 47,4 % массы твердой земной коры. Морские и пресные воды содержат огромное количество связанного кислорода - 88,8 % (по массе), в современной атмосфере содержание свободного кислорода составляет 20,95 % по объему и 23,12 % по массе. Более 1 500 соединений земной коры в своем составе содержат кислород. Он входит в состав многих органических веществ и присутствует во всех живых клетках. По числу атомов в живых клетках он составляет около 25 %, по массовой доле – около 65 %.
Земля является единственной планетой нашей солнечной системы, в атмосфере которой содержится значительное количество свободного кислорода. Свободный кислород – необходимое условие существования преобладающего большинства живых организмов – сам является продуктом жизни. Не только весь атмосферный кислород, но и значительная часть «ископаемого» кислорода осадочных пород имеет фотосинтетическое происхождение. Процесс фотосинтеза описывается формулой
6СО 2 + 6Н 2 О С 6 Н 12 О 6 + 6О 2 .
Для того чтобы могла протекать данная реакция, необходимо затратить энергию. Однако только наличия всех ингредиентов фотосинтеза для его протекания недостаточно. В земной атмосфере содержатся двуокись углерода и водяные пары и она освещена Солнцем, однако нас не заливает потоками сахара. Вероятность возникновения соответствующей химической реакции достаточно мала. В клетках растений содержатся особые пигменты (например, хлорофиллы) и ферменты, обеспечивающие такое взаимодействие между молекулами и энергией, при котором вероятность возникновения химических реакций фотосинтеза весьма велика. Количество свободного кислорода, образующегося под действием ультрафиолетовых лучей за счет небиологического фотолиза паров воды в верхних слоях атмосферы, составляет лишь тысячные доли процента от поставляемого фотосинтезом. Растительный мир биосферы ежегодно выделяет в процессе фотосинтеза около 430–470 млрд т кислорода.
Основные ветви круговорота кислорода – образование свободного кислорода при фотосинтезе и его поглощение в процессе дыхания живых организмов (рис. 10).
Рис. 10. Круговорот кислорода
Итак, появление автотрофных организмов, способных к фотосинтезу, явилось грандиозным шагом вперед на пути развития жизни и эволюции всей биосферы. За время существования фотосинтезирующих организмов вся вода нашей планеты, весь ее кислород и водород прошли уже много циклов фотосинтетических превращений и обратных процессов – окисления органических веществ свободным кислородом. В нашу эпоху весь кислород атмосферы проходит через живое вещество примерно за 2000 лет. Полный круговорот воды, являющейся источником кислорода, выделяемого при фотосинтезе, осуществляется в биосфере примерно за 2 млн лет.
Лишь при наличии молекулярного кислорода в окружающей среде могли возникнуть и развиваться сложные многоклеточные организмы, получающие необходимую им энергию окислением в процессе дыхания органических веществ, созданных автотрофами. Жизнедеятельность ранее существовавших гетеротрофных организмов, вероятно, поддерживалась за счет брожения, субстратами для которого служили органические соединения, образовавшиеся химическим путем в первичном Мировом океане.
На протяжении всего своего существования биосфера оказывала огромное влияние на процессы, происходящие в атмосфере, литосфере и гидросфере Земли. Большую роль в этом воздействии сыграл свободный кислород, выделяющийся в процессе фотосинтеза. Образование озонового экрана, окисление окиси углерода, появлявшейся в результате вулканической деятельности, накопление сульфатных осадочных пород и т. д. – везде участвует молекулярный кислород фотосинтеза.
Только после возникновения фотосинтезирующих организмов, когда в процессе их жизнедеятельности в атмосфере нашей планеты накопилось достаточное количество свободного кислорода для образования озонового экрана, жизнь смогла выйти на сушу. С этого момента началась новая эпоха в развитии и совершенствовании биосферы Земли.
Озон
(О 3
) – в переводе с греческого «пахнущий», газ голубого цвета с характерным запахом – обладает большой химической реактивностью
и токсичностью.
Озоновый экран – слой атмосферы в пределах стратосферы, лежащий на высотах 7–8 км на полюсах, 17–18 – на экваторе и до 50 км над поверхностью планеты и отличающийся повышенной концентрацией молекул озона (в 10 раз выше, чем на поверхности земли), поглощающих ультрафиолетовое излучение, гибельное для организмов. Например, вода и воздух иногда подвергаются озонированию для уничтожения микроорганизмов и устранения неприятных запахов в воде и воздухе. На образование озона тратится около 5 % поступающей к Земле солнечной энергии. Реакция легко обратима. При распаде озона эта энергия выделяется, за счет чего в верхних слоях атмосферы поддерживается высокая температура. Озон служит своеобразным ультрафиолетовым фильтром: задерживает значительную часть жестких УФ-лучей. Именно поэтому образование озонового слоя считают одним из условий выхода жизни из океана и заселения суши.
Об озоновой «драме» в Антарктиде впервые сообщил журнал
«Nature» в 1985 г. С тех пор результаты измерений содержания озона подтверждают повсеместное уменьшение озонового слоя практически на всей планете.
«Озоновая дыра»
– это устойчивое понижение общего содержания озона (ОСО) на большой территории ниже климатической нормы (с англ. – hole – дыра, нора, яма, отверстие, углубление). Правильнее было бы говорить: «провисание озонового слоя». Этот термин отражает геометрическую особенность поверхности, представляющей собой значение ОСО
(в единицах Добсона) как функцию земных координат.
Причины возникновения «дыры» пока не совсем ясны. Предполагается как естественное, так и (в большей степени) антропогенное (от выбросов фреонов и сведения лесов как продуцентов кислорода). Большинство экологов считают, что глобальное загрязнение атмосферы является причиной нарушения плотности озонового экрана. В настоящее время наибольшее влияние на круговорот кислорода в биосфере оказывает деятельность человека. Человечество ежегодно потребляет около 1 010 тмолекулярного кислорода. Огромное количество кислорода расходуют автомобили, самолеты, теплоходы и т. д.
Круговорот углерода
Углерод существует в природе во многих формах, в том числе в составе органических соединений. Неорганическое вещество, лежащее в основе биогенного круговорота этого элемента, – диоксид углерода (СО 2). Он входит в состав атмосферы, а также находится в растворенном состоянии в гидросфере.
Основная масса углерода в земной коре находится в связанном состоянии.
Важнейшие минералы углерода – карбонаты, количество углерода в них оценивается в 9,6·10 15 т. Разведанные запасы горючих ископаемых (уголь, нефть, шунгит, битумы, торф, сланцы, газы) содержат
около 1·10 13 т углерода, что соответствует средней скорости накопления
7 млн т /год. Это количество по сравнению с массой циркулирующего углерода незначительное и как бы выпадает из круговорота и теряется в нем.
Круговорот углерода – самый интенсивный. Источником первичной углекислоты биосферы считается вулканическая деятельность. В современной биосфере на выделение СО 2 из мантии Земли при вулканических извержениях приходится не более 0,01 %, и одним из основных источников углекислоты в атмосфере является дыхание. Включение углерода в состав органических веществ происходит благодаря растительным фотосинтезирующим организмам. Растительность постоянно обменивается веществом и энергией с атмосферой и почвой и, таким образом, круговорот углерода представляет собой сложную взаимозависимую цепь обменных процессов в системе «атмосфера-растительность-почва-атмосфера».
В круговороте углерода можно выделить два важнейших звена, имеющих планетарные масштабы и связанные с выделением и поглощением кислорода (рис. 11):
фиксация СО 2 в процессе фотосинтеза и генерация кислорода (агенты – растения);
минерализация органических веществ (разложение до СО 2 ) и затрата кислорода (основные агенты – микроорганизмы; на животных, например, приходится от 4 до 10–15 % эмиссии углекислоты).
Микроорганизмы и животные-деструкторы разлагают мертвые растения и погибших животных, в результате чего углерод мертвого органического вещества окисляется до диоксида углерода и снова попадает в атмосферу. Вклад почвенного дыхания (включая дыхание корней и биоты)
в общую респирацию экосистемы может составлять от 40 до 70 %. При определенных условиях в почве разложение накапливающихся мертвых остатков идет замедленным темпом – через образование сапротрофными организмами гумуса, минерализация которого может идти с различной, в том числе и с низкой, скоростью.
Рис. 11. Круговорот углерода (по Ф. Рамад, 1981)
В некоторых случаях цепь разложения органического вещества бывает неполной. В частности, деятельность деструкторов может подавляться недостатком кислорода или повышенной кислотностью. В этом случае органические остатки накапливаются в виде торфа; углерод не высвобождается и имеет место его консервация. Аналогичные ситуации возникали и в прошлые геологические эпохи, о чем свидетельствуют отложения каменного угля, нефти, горючих сланцев, торфа и др.
Особенность круговорота углерода состоит в консервацииэлемента. В далекие геологические эпохи, сотни миллионов лет назад, значительная часть органического вещества, созданного в процессах фотосинтеза, накапливалась в литосфере в виде ископаемого топлива. Сжигая его, мы в определенном смысле завершаем круговорот углерода.
Таким образом, по разным оценкам, в среднем за год в процессе фотосинтеза связывается 60 млрд т углерода, в процессе разложения органического вещества высвобождается 48 млрд т углерода, поступает в почву и «консервируется» в многолетних фитоценозах 10 млрд т, погребается в осадочной толще литосферы (включая реакции диоксида углерода с горными породами) 1 млрд, поступает в результате сжигания топлива 4 млрд т углерода.
Основные накопители углерода на Земле – леса: в биомассе лесов приблизительно в 1,5, а в лесном гумусе – в 4 раза больше углерода, чем в атмосфере. Особое планетарное значение в аккумуляции углерода имеют тропические и бореальные леса (табл. 4).
Таблица 4
Запасы углерода в основных биомах планеты
Северные леса имеют особое общепланетарное значение. Их роль в регулировании атмосферы и климата сейчас общепризнана. Косвенные данные об углеродном балансе свидетельствуют о высокой степени накопления углерода лесными экосистемами северных широт – в них сосредоточено около 33 % глобальных запасов углерода. Хотя бореальные леса и уступают тропическим по площади и запасам фитомассы, по своему воздействию на биосферу и параметрам углеродного цикла они существенно превосходят тропические экосистемы. Вследствие особенностей климатических условий бореальные леса аккумулируют углерод не только в фитомассе, но и в почвенном органическом веществе, в результате чего его связывание в процессе фотосинтеза превышает эмиссию в атмосферу за счет дыхания и минерализации органических остатков. На долю лесов России приходится 73 % площади бореальной зоны мира. Причем 42 % сосредоточено в Сибири. Суммарная аккумуляция углерода в лесных экосистемах Центральной Сибири (территория Красноярского края) составляет
15 879 млн т (156 тС/га лесопокрытой территории), в том числе на надземную и подземную фитомассу приходится 26 %, остальное аккумулировано в органическом веществе верхней 50-сантиметровой толщи почв (22 %
в мертвых растительных остатках, 52 % – в гумусе).
Круговорот углерода совершается и в водной среде. Но здесь он более сложен по сравнению с континентальным, поскольку возврат этого элемента в форме СО 2 зависит от поступления кислорода в верхние слои воды как из атмосферы, так и из нижележащей толщи.
В целом показатели годичного круговорота массы углерода в Мировом океане почти вдвое ниже, чем на суше. Между сушей и океаном постоянно идут процессы миграции углерода, в которых преобладает вынос его в форме карбонатных и органических соединений с суши в океан. Из Мирового океана на сушу углерод поступает в незначительных количествах в форме СО 2 , выделяемого в атмосферу. Углекислый газ атмосферы и гидросферы обменивается и обновляется живыми организмами за 395 лет.
До наступления индустриальной эры потоки углерода между атмосферой, сушей и океаном были сбалансированы. Влияние человека на круговорот углерода проявилось в том, что с развитием индустрии и сельского хозяйства поступление СО 2 в атмосферу стало расти за счет антропогенных источников.
Главная причина увеличения содержания СО 2 в атмосфере - это сжигание горючих ископаемых, однако свой вклад вносят и транспорт, и уничтожение лесов. Миллиарды тонн углекислоты ежечасно поступают в атмосферу при сжигании дров, угля, нефти, газа. Энергетический бум
ХХ в. увеличил содержание углекислоты в атмосфере на 25 %, метана –
на 100 %.
При уничтожении лесов содержание углекислого газа в атмосфере увеличивается при непосредственном сжигании древесины, за счет снижения фотосинтеза и при окислении гумуса почвы (если на месте лесов распахивают поля или строят города). Сокращение площадей лесов из-за рубок и пожаров, отчуждение лесных земель под разные виды строительства снижают секвестр углерода растительным покровом.
Антропогенное воздействие на баланс углерода проявляется и в сельскохозяйственной деятельности, приводя к потере углерода в почве, так как фиксация (связывание) СО 2 из атмосферы агрокультурами в течение лишь части года не компенсирует полностью высвобождающийся из почвы углерод, который теряется при окислении гумуса (результат частой вспашки).
Повышение концентрации углекислого газа в атмосфере за последнее столетие, не сопровождаемое увеличением запасов фитомассы растительного покрова, свидетельствует о потере компенсаторных способностей биосферы.
Солнечная энергия на Земле вызывает два круговорота веществ: большой, или геологический, наиболее ярко проявляющийся в круговороте воды и циркуляции атмосферы, и малый, биологический (биотический), развивающийся на основе большого и состоящий в непрерывном, циклическом, но неравномерном во времени и пространстве, и сопровождающийся более или менее значительными потерями закономерного перераспределения вещества, энергии и информации в пределах экологических систем различного уровня организации (рис. 12.7).
Рис. 12.7. Принципиальная схема биологического (биотического)
круговорота (по К. Ф. Реймерсу, 1990)
Оба круговорота взаимно связаны и представляют как бы единый процесс. Подсчитано, что весь кислород, содержащийся в атмосфере, оборачивается через организмы (связывается при дыхании и высвобождается при фотосинтезе) за 2000 лет, углекислота атмосферы совершает круговорот в обратном направлении за 300 лет, а все воды на Земле разлагаются и воссоздаются путем фотосинтеза и дыхания за 2 000 000 лет (рис. 12.8).
Взаимодействие абиотических факторов и живых организмов экосистемы сопровождается непрерывным круговоротом вещества между биотопом и биоценозом в виде чередующихся то органических, то минеральных соединений. Обмен химических элементов между живыми организмами и неорганической средой, различные стадии которого происходят внутри экосистемы, называют биогеохимическим круговоротом, или биогеохимическим циклом.
Существование подобных круговоротов создает возможность для саморегуляции (гомеостаза) системы, что придает экосистеме устойчивость: удивительное постоянство процентного содержания различных элементов. Здесь действует принцип функционирования экосистем: получение ресурсов и избавление от отходов происходят в рамках круговорота всех элементов.
Рассмотрим более подробно основные биохимические круговороты.
Рис. 12.8. Круговороты воды, кислорода и углекислого
газа (по П. Клауду и А. Джибору, 1972)
Круговорот воды. Самый значительный по переносимым массам и по затратам энергии круговорот на Земле - это планетарный гидрологический цикл - круговорот воды (рис. 12.9).
Рис. 12.9. Общая схема круговорота воды (по Ф. Рамаду, 1981)
Примечание: цифры - толщина слоя в метрах
Каждую секунду в него вовлекается 16,5 млн м 3 воды и тратится на это более 40 млрд МВт солнечной энергии (Т. А. Акимова, В.В. Хаскин, 1994). Но данный круговорот - это не только перенос водных масс. Это фазовые превращения, образование растворов и взвесей, выпадение осадков, кристаллизация, процессы фотосинтеза, а также разнообразные химические реакции. В этой среде возникла и продолжается жизнь. Вода - основной элемент, необходимый для жизни. Количественно это самая распространенная неорганическая составляющая живой материи. У человека вода составляет 63% массы тела, грибов - 80%, растений - 80-90%, а у некоторых медуз - 98%.
Вода, как мы увидим несколько позднее, участвующая в биологическом круговороте и служащая источником водорода и кислорода, составляет лишь небольшую часть своего общего объема.
В жидком, твердом и парообразном состояниях вода присутствует во всех трех главных составных частях биосферы: атмосфере, гидросфере, литосфере. Все воды объединяются общим понятием «гидросферы». Составные части гидросферы связаны между собой постоянным обменом и взаимодействием. Вода, непрерывно переходя из одного состояния в другое, совершает малый и большой круговороты. Испарение воды с поверхности океана, конденсация водяного пара в атмосфере и выпадение осадков на поверхность океана образует малый круговорот. Когда водяной пар переносится воздушными течениями на сушу, круговорот становится значительно сложнее. При этом часть осадков испаряется и поступает обратно в атмосферу, другая - питает реки и водоемы, но в итоге вновь возвращается в океан речным и подземным стоками, завершая тем самым большой круговорот.
Над океанами выпадает 7/9 общего количества осадков, а над континентами 2/9. Замкнутая, бессточная часть суши в 3,5 раза беднее осадками, чем периферийная часть суши. Вода, выпавшая на сушу, в процессе фильтрации через почву обогащается минеральными и органическими веществами, образуя подземные воды. Вместе с поверхностными стоками она поступает в реки, а затем в океаны. Поступление воды в Мировой океан (осадки, приток речных вод) и испарение с его поверхности составляет 1260 мм в год.
Несмотря на относительно малую толщину слоя водяного пара в атмосфере (0,03 м), именно атмосферная влага играет основную роль в циркуляции воды и ее биогеохимическом круговороте. В целом для всего земного шара существует один источник притока воды - атмосферные осадки и один источник расхода - испарение, составляющее 1030 мм в год. В жизнедеятельности растений огромная роль воды принадлежит осуществлению процессов фотосинтеза (важнейшее звено биологического круговорота) и транспирации. Подсчитано, что 1 га елового леса на влажной почве за год транспирирует около 4000 м 3 воды, что эквивалентно 378 мм осадков. Суммарное испарение, или масса воды, испаряемой древесной или травянистой растительностью, испарившейся с поверхности почвы, играет важную роль в круговороте воды на континентах. Грунтовые воды, проникая сквозь ткани растений в процессе транспирации, привносят минеральные соли, необходимые для жизнедеятельности самих растений.
Данные по круговороту воды на земном шаре позволяют вычислить активность водообмена в различных частях гидросферы (табл. 12.2).
Таблица 12.2
Активность водообмена в гидросфере (по М. И. Львовичу, 1986)
Наиболее замедленной частью круговорота воды является деятельность полярных ледников. Круговорот здесь совершается за 8,0 тыс. лет, что отражает медленное движение и процесс таяния ледниковых масс. Подземные воды обновляются за 5,0 тыс. лет, воды океанов - за 3,0 тыс. лет, атмосферные воды - за 10 суток. Наибольшей активностью обмена, после атмосферной влаги, отличаются речные воды, которые сменяются в среднем каждые 11 суток. Чрезвычайно быстрая возобновляемость основных источников пресных вод и опреснение вод в процессе круговорота являются отражением глобального процесса динамики вод на земном шаре. Происходящий в природе круговорот самоочищающейся воды - вечное движение, обеспечивающее жизнь на Земле.
Пресной воды на Земле очень мало. Вместе с зоной активного водоснабжения подземными водами это лишь 300 млн км 3 , причем 97% находится в ледниках Антарктиды, Гренландии, в полярных зонах и горах. Однако естественный круговорот воды гарантирует, что без воды Земля не останется.
Биотический (биологический) круговорот. Под биотическим (биологическим) круговоротом понимается циркуляция веществ между почвой, растениями, животными и микроорганизмами (рис. 12.10). По определению Н. П. Ремезова, Л. Е. Родина и Н. И. Базилевич, биотический (биологический) круговорот - это поступление химических элементов из почвы, воды и атмосферы в живые организмы, превращение в них поступающих элементов в новые сложные соединения и возвращение их обратно в процессе жизнедеятельности с ежегодным опадом части органического вещества или с полностью отмершими организмами, входящими в состав экосистемы (Н. Ф. Реймерс, 1990).
Рис. 12.10. Биотический (биологический) круговорот веществ
в экосистеме (по А. И. Воронцову, Н. 3. Харитоновой, 1979)
Сейчас же мы представим биотический круговорот в циклической форме (рис. 12.11).
Рис. 12.10. Структурные циклы биотического круговорота
(по Т. А. Акимовой, В. В. Хаскину, 1994)
Пояснения: внутреннее малое кольцо - первичный биотический круговорот с участием примитивных продуцентов (П) и редуцентов-деструкторов (Д); Р - растения; Т - первичные консументы (растительноядные животные); X, и X, - вторичные и третичные консументы (хищники). Все циклы замыкаются редуцентами
Первичный биотический круговорот по Т.А. Акимовой, В.В. Хаскину (1994) состоял из примитивных одноклеточных продуцентов (П) и редуцентов-деструкторов (Д). Микроорганизмы способны быстро размножаться и приспосабливаться к разным условиям, например, использовать в своем питании всевозможные субстраты - источники углерода. Высшие организмы такими способностями не обладают. В целостных экосистемах они могут существовать в виде надстройки на фундаменте микроорганизмов.
Вначале развиваются многоклеточные растения (Р) - высшие продуценты. Вместе с одноклеточными они создают в процессе фотосинтеза органическое вещество, используя энергию солнечного излучения. В дальнейшем подключаются первичные консументы - растительноядные животные (Т), а затем и плотоядные консументы. Нами был рассмотрен биотический круговорот суши. Это в полной мере относится и к биотическому круговороту водных экосистем, например океана.
Все организмы занимают определенное место в биотическом круговороте и выполняют свои функции по трансформации достающихся им ветвей потока энергии и по передаче биомассы. Всех объединяет, обезличивает их вещества и замыкает общий круг система одноклеточных редуцентов (деструкторов). В абиотическую среду биосферы они возвращают все элементы, необходимые для новых и новых оборотов.
Следует подчеркнуть наиболее важные особенности биотического круговорота.
Фотосинтез относится к мощному естественному процессу, вовлекающему ежегодно в круговорот огромные массы вещества биосферы и определяющему ее высокий кислородный потенциал. Он выступает регулятором основных геохимических процессов в биосфере и фактором, определяющим наличие свободной энергии верхних оболочек земного шара. Фотосинтез представляет собой химическую реакцию, которая протекает, как известно, за счет солнечной энергии при участии хлорофилла зеленых растений:
nCO 2 + nH 2 О + энергия -> С n H 2n O n + nO 2
За счет углекислоты и воды синтезируется органическое вещество и выделяется свободный кислород. Прямыми продуктами фотосинтеза являются различные органические соединения, а в целом процесс фотосинтеза носит довольно сложный характер.
Глюкоза является простейшим продуктом фотосинтеза, образование которой совершается следующим путем:
6СО 2 + 6Н 2 O -> С 6 Н 12 O 6 + 6O 2 .
Помимо фотосинтеза с участием кислорода (так называемый кислородный фотосинтез) следует остановиться и на бескислородном фотосинтезе, или хемосинтезе (рис. 12.12).
К хемосинтезирующим организмам относятся нитрификаторы, карбоксидобактерии, серобактерии, тионовые железобактерии, водородные бактерии. Они называются так по субстратам окисления, которыми могут быть NH 3 , NO 2 , CO, H 2 S, S, Fe 2+ , H 2 . Некоторые виды - облигатные хемолитоавтотрофы, другие - факультативные. К последним относятся карбоксидобактерии и водородные бактерии. Хемосинтез характерен для глубоководных гидротермальных источников.
Рис. 12.12. Схема фотосинтеза у растений, водорослей и бактерий
Фотосинтез происходит за немногим исключением на всей поверхности Земли, создает огромный геохимический эффект и может быть выражен как количество всей массы углерода, вовлекаемой ежегодно в построение органического - живого вещества всей биосферы. В общий круговорот материи, связанной с построением путем фотосинтеза органического вещества, вовлекаются и такие химические элементы, как N, P, S, а также металлы - К, Са, Mg, Na, Al.
При гибели организма происходит обратный процесс - разложение органического вещества путем окисления, гниения и т. д. с образованием конечных продуктов разложения. Следовательно, общую реакцию фотосинтеза можно выразить в глобальном масштабе следующим образом:
mCO 2 + nH 2 O C m ×n(H 2 O) + mO 2.
В биосфере Земли этот процесс приводит к тому, что количество биомассы живого вещества приобретает тенденцию к определенному постоянству. Биомасса экосферы (2×10 12 т) на семь порядков меньше массы земной коры (2×10 19 т). Растения Земли ежегодно продуцируют органическое вещество, равное 1,6×10 11 т, или 8% биомассы экосферы. Деструкторы, составляющие менее 1% суммарной биомассы организмов планеты, перерабатывают массу органического вещества, в 10 раз превосходящую их собственную биомассу. В среднем период обновления биомассы равен 12,5 годам. Допустим, что масса живого вещества и продуктивность биосферы были такими же от кембрия до современности (530 млн лет), то суммарное количество органического вещества, которое прошло через глобальный биотический круговорот и было использовано жизнью на планете, составит 2×10 12 ×5,3×10 8 /12,5 =8,5×10 19 т, что в 4 раза больше массы земной коры. По поводу данных расчетов Н. С. Печуркин (1988) писал: «Мы можем утверждать, что атомы, составляющие наши тела, побывали в древних бактериях, и в динозаврах, и в мамонтах».
Закон биогенной миграции атомов В. И. Вернадского гласит: «Миграция химических элементов на земной поверхности и в биосфере в целом осуществляется или при непосредственном участии живого вещества (биогенная миграция), или же она протекает в среде, геохимические особенности которой (О 2 , СО 2 , Н 2 и т. д.) обусловлены живым веществом, как тем, которое в настоящее время населяет биосферу, так и тем, которое действовало на Земле в течение всей геологической истории».
В. И. Вернадский в 1928-1930 гг. в своих глубоких обобщениях относительно процессов в биосфере дал представление о пяти основных биогеохимических функциях живого вещества.
Первая функция - газовая. Большинство газов верхних горизонтов планеты порождено жизнью. Подземные горючие газы являются продуктами разложения органических веществ растительного происхождения, захороненных ранее в осадочных толщах. Наиболее распространенный - это болотный газ - метан (СН 4 ,).
Вторая функция - концентрационная. Организмы накапливают в своих телах многие химические элементы. Среди них на первом месте стоит углерод. Содержание углерода в углях по степени концентрации в тысячи раз больше, чем в среднем для земной коры. Нефть - концентратор углерода и водорода, так как имеет биогенное происхождение. Среди металлов по концентрации первое место занимает кальций. Целые горные хребты сложены остатками животных с известковым скелетом. Концентраторами кремния являются диатомовые водоросли, радиолярии и некоторые губки, йода - водоросли ламинарии, железа и марганца - особые бактерии. Позвоночными животными накапливается фосфор, сосредотачиваясь в их костях.
Третья функция - окислительно-восстановительная. В истории многих химических элементов с переменной валентностью она играет важную роль. Организмы, обитающие в разных водоемах, в процессе своей жизнедеятельности и после гибели регулируют кислородный режим и тем самым создают условия, благоприятные для растворения или же осаждения ряда металлов с переменной валентностью (V, Mn, Fe).
Четвертая функция - биохимическая. Она связана с ростом, размножением и перемещением живых организмов в пространстве. Размножение приводит к быстрому распространению живых организмов, «расползанию» живого вещества в разные географические области.
Пятая функция - это биогеохимическая деятельность человечества, охватывающая все возрастающее количество вещества земной коры для нужд промышленности, транспорта, сельского хозяйства. Данная функция занимает особое место в истории земного шара и заслуживает внимательного отношения и изучения. Таким образом, все живое население нашей планеты - живое вещество - находится в постоянном круговороте биофильных химических элементов. Биологический круговорот веществ в биосфере связан с большим геологическим круговоротом (рис. 12.13).
В Ы М Ы ВА Н И Е
Рис. 12.13. Взаимосвязь малого биологического круговорота
веществ в биосфере с большим геологическим круговоротом
Поскольку речь идет о колоссальном числе индивидуальных участников этих процессов, которые не сопряжены жесткими функциональными связями, то пригнанность компонентов биотического круговорота - явление совершенно исключительное. Круговорот полностью замкнут (Т.А. Акимова, В.В. Хаскин, 1994), когда существует точное равенство сумм прямых и обратных расходов: . Если же в каком-то из процессов наблюдаются прирост или утечка («дефект замкнутости») Dq, то замкнутость круговорота выражается так:
(12.1)
Величина разомкнутости круговорота:
(12.2)
Эти величины можно выразить и иначе, сопоставляя продолжительность поддержания равенства расходов Т со временем исчерпания резервуара DТ при полной остановке процесса наполнения:
. (12.3)
Соответственно:
(12.4)
Несомненно, высокий уровень системной организации и регуляции мог быть выработан и отшлифован миллиардолетней эволюцией.
Биологический круговорот различается в разных природных зонах и классифицируется по комплексу показателей: биомассе растениq, опаду, подстилке, количеству закрепленных в биомаcсе элементов и т. д. (табл. 12.3.)
Таблица 12.3
Показатели биологического круговорота в разных природных зонах (по Родину и Базилевич, 1965)
|
Показатели |
Тундра |
Лесная зона |
Степи |
Пустыни |
||||
|
арктическая |
кустарничко- |
ельники |
дубравы |
луговые |
сухие |
полу-кустар- ничко- |
эфемеровополукустарниковые |
|
|
Биомасса, ц/га Доля подземных органов, % Опад, зеленые части, ц/га Подстилка, войлок, ц/га Подстилочно-опадочный коэффициент (ПОК) |
||||||||
Общая биомасса наиболее высока в лесной зоне, а доля подземных органов в лесах наименьшая. Это подтверждает индекс интенсивности биологического круговорота - величина отношения массы подстилки к той части опада, которая ее формирует (табл. 12.4).
Таблица 12.4
Индекс интенсивности биологического круговорота
Круговорот углерода. Из всех биогеохимических циклов круговорот углерода, без сомнения, самый интенсивный. С высокой скоростью углерод циркулирует между различными неорганическими средствами и через посредство пищевых сетей внутри сообществ живых организмов (рис. 12.14).
Рис. 12.14. Круговорот углерода (по И. П. Герасимову, 1980)
В круговороте углерода определенную роль играют СО и СО 2 . Часто в биосфере Земли углерод представлен наиболее подвижной формой СО 2 . Источником первичной углекислоты биосферы является вулканическая деятельность, связанная вековой дегазацией мантии и нижних горизонтов земной коры.
Миграция СО 2 в биосфере протекает двумя путями.
Первый путь заключается в поглощении его в процессе фотосинтеза с образованием глюкозы и других органических веществ, из которых построены все растительные ткани. В дальнейшем они переносятся по пищевым цепям и образуют ткани всех остальных живых существ экосистемы. Следует заметить, что вероятность отдельно взятого углерода «побывать» в течение одного цикла в составе многих организмов мала, потому что при каждом переходе с одного трофического уровня на другой велика возможность, что содержащая его органическая молекула будет расщеплена в процессе клеточного дыхания для получения энергии. Атомы углерода при этом вновь поступают в окружающую среду в составе углекислого газа, таким образом завершив один цикл и приготовившись начать следующий. В пределах суши, где имеется растительность, углекислый газ атмосферы в процессе фотосинтеза поглощается в дневное время. В ночное время часть его выделяется растениями во внешнюю среду. С гибелью растений и животных на поверхности происходит окисление органических веществ с образованием СО 2 .
Атомы углерода возвращаются в атмосферу и при сжигании органического вещества. Важная и интересная особенность круговорота углерода состоит в том, что в далекие геологические эпохи, сотни миллионов лет назад, значительная часть органического вещества, созданного в процессах фотосинтеза, не использовалась ни консументами, ни редуцентами, а накапливалась в литосфере в виде ископаемого топлива; нефти, угля, горючих сланцев, торфа и др. Это ископаемое топливо добывается в огромных количествах для обеспечения энергетических потребностей нашего индустриального общества. Сжигая его, мы в определенном смысле завершаем круговорот углерода.
По второму пути миграция углерода осуществляется созданием карбонатной системы в различных водоемах, где СО 2 переходит в Н 2 СО 3 , НСО 1 3 , СО 2 3 . С помощью растворенного в воде кальция (или магния) происходит осаждение карбонатов (СаСО 3) биогенным и абиогенным путями. Образуются мощные толщи известняков. По А. Б. Ронову, отношение захороненного углерода в продуктах фотосинтеза к углероду в карбонатных породах составляет 1:4. Существует наряду с большим круговоротом углерода и ряд малых его круговоротов на поверхности суши и в океане.
В целом же без антропогенного вмешательства содержание углерода в биогеохимических резервуарах: биосфере (биомасса+почва и детрит), осадочных породах, атмосфере и гидросфере, - сохраняется с высокой степенью постоянства. По Т.А. Акимовой, В.В. Хаскину (1994), постоянный обмен углеродом, с одной стороны, между биосферой, а с другой - между атмосферой и гидросферой, обусловлен газовой функцией живого вещества - процессами фотосинтеза, дыхания и деструкции, и составляет около 6×10 10 т/год. Существует поступление углерода в атмосферу и гидросферу и при вулканической деятельности в среднем 4,5×10 6 т/год. Общая масса углерода в ископаемом топливе (нефть, газ, уголь и др.) оценивается в 3,2×10 15 т, что соответствует средней скорости накопления 7 млн т/год. Это количество по сравнению с массой циркулирующего углерода незначительное и как бы выпадало из круговорота, терялось в нем. Отсюда степень разомкну-гости (несовершенства) круговорота составляет 10 - 4 , или 0,01%, а соответственно степень замкнутости - 99,99%. Это означает, с одной стороны, что каждый атом углерода принимал участие в цикле десятки тысяч раз, прежде чем выпал из круговорота, оказался в недрах. А с другой стороны - потоки синтеза и распада органических веществ в биосфере с очень высокой точностью подогнаны друг к другу.
В. Г. Горшковым (1988) на основе расчетов делается важное заключение: «Потоки синтеза и разложение органических веществ совпадают с точностью 10" 4 и скоррелированы с точностью 10 -4 . Скоррелированность потоков синтеза и распада с указанной точностью доказывает наличие биологической регуляции окружающей среды, ибо случайная связь величин с такой точностью в течение миллионов лет невероятна».
В постоянном круговороте находится 0,2% мобильного запаса углерода. Углерод биомассы обновляется за 12, атмосферы - за восемь лет. Огромный контраст между краткостью данных периодов, постоянством и возрастом биосферы подтверждает высочайшую сбалансированность «мира углерода».
Круговорот кислорода. Кислород (О 2) играет важную роль в жизни большинства живых организмов на нашей планете. В количественном отношении это главная составляющая живой материи. 349
Например, если учитывать воду, которая содержится в тканях, то тело человека содержит 62,8% кислорода и 19,4% углерода. В целом в биосфере этот элемент по сравнению с углеродом и водородом является основным среди простых веществ. В пределах биосферы происходит быстрый обмен кислорода с живыми организмами или их остатками после гибели. Растения, как правило, производят свободный кислород, а животные являются его потребителями путем дыхания. Будучи самым распространенным и подвижным элементом на Земле, кислород не лимитирует существование и функции экосферы, хотя доступность кислорода для водных организмов может временно и ограничиться. Круговорот кислорода в биосфере необычайно сложен, так как с ним в реакцию вступает большое количество органических и неорганических веществ. В результате возникает множество эпициклов, происходящих между литосферой и атмосферой или между гидросферой и двумя этими средами. Круговорот кислорода в некотором отношении напоминает обратный круговорот углекислого газа. Движение одного происходит в направлении, противоположном движению другого (рис. 12.15).
Потребление атмосферного кислорода и его возмещение первичными продуцентами происходит сравнительно быстро. Так, для полного обновления всего атмосферного кислорода требуется 2000 лет. В наше время фотосинтез и дыхание в природных условиях, без учета деятельности человека, с большой точностью уравновешивают друг друга. В связи с этим накопления кислорода в атмосфере не происходит, и его содержание (20,946%) остается постоянным.
Рис. 12.15. Круговорот кислорода (по Е. А. Криксунову и др., 1995)
В верхних слоях атмосферы при действии ультрафиолетовой радиации на кислород образуется озон - О 3:
hv -> О 2 « 2О; О + О « О 3 ; DН = +141,9 кДж/моль.
Здесь hv - квант света с длиной волны не более 225 нм.
На образование озона тратится около 5% поступающей к Земле солнечной энергии - около 8,6×10 15 Вт. Реакции легко обратимы. При распаде озона эта энергия выделяется, за счет чего в верхних слоях атмосферы поддерживается высокая температура. Средняя концентрация озона в атмосфере составляет около 10 -6 об. %; максимальная концентрация О 3 -до 4×10 -6 об. % достигается на высотах 20-25 км (ТА. Акимова, В.В. Хаскин (1998).
Озон служит своеобразным УФ-фильтром: задерживает значительную часть жестких ультрафиолетовых лучей. Вероятно, образование озонового слоя было одним из условий выхода жизни из океана и заселения суши.
Большая часть кислорода, вырабатываемого в течение геологических эпох, не оставалась в атмосфере, а фиксировалась литосферой в виде карбонатов, сульфатов, окислов железа и т. п. Эта масса составляет 590×10 14 т пpoтив39×10 14 т киcлopoдa, который циркулирует в биосфере в виде газа или сульфатов, растворенных в континентальных и океанических водах.
Круговорот азота. Азот - незаменимый биогенный элемент, так как он входит в состав белков и нуклеиновых кислот. Круговорот азота один из самых сложных, поскольку включает как газовую, так и минеральную фазу, и одновременно самых идеальных круговоротов (рис. 12.16).
Рис. 12.16. Круговорот азота (по Ф. Рамаду, 1981)
Круговорот азота тесно связан с круговоротом углерода. Как правило, азот следует за углеродом, вместе с которым он участвует в образовании всех протеиновых веществ.
Атмосферный воздух, содержащий 78% азота, является неисчерпаемым резервуаром. Однако основная часть живых организмов не может непосредственно использовать этот азот. Он должен быть предварительно связан в виде химических соединений. Например, для усвоения азота растениями необходимо, чтобы он входил в состав ионов аммония (NH 4 +) или нитрата (NO 3 -).
Газообразный азот непрерывно поступает в атмосферу в результате работы денитрофицирующих бактерий, а бактерии-фиксаторы вместе с сине-зелеными водорослями (цианофитами) постоянно поглощают его, преобразуя в нитраты.
Важную роль в превращении газообразного азота в аммонийную форму в ходе так называемой азотофиксации играют бактерии из рода Rhizobium, живущие в клубеньках на корнях бобовых растений. Растения обеспечивают бактерий местообитанием и пищей (сахара), получая взамен от них доступную форму азота. По пищевым цепям органический (входящий в состав органических молекул) азот передается от бобовых другим организмам экосистемы. В процессе клеточного дыхания белки и другие содержащие азот органические соединения расщепляются, азот выделяется в среду большей частью в аммонийной форме (NH 4 +). Некоторые бактерии способны переводить ее и в нитратную (NO 3 -) форму. Отметим, что обе эти формы азота усваиваются любыми растениями. Азот, таким образом, совершает круговорот как минеральный биоген. Однако такая минерализация обратима, так как почвенные бактерии постоянно превращают нитраты снова в газообразный азот.
В водной среде также существуют различные виды нитрофи-цирующих бактерий, но главная роль в фиксации атмосферного азота здесь принадлежит многочисленным видам способных к фотосинтезу сине-зеленых водорослей из родов Anabaena, Nostoc, Frichodesmium и др.
Круговорот азота четко прослеживается и на уровне деструкторов. Протеины и другие формы органического азота, содержащиеся в растениях и животных после их гибели, подвергаются воздействию гетеротрофных бактерий, актиномицетов, грибов (биоредуцирующих микроорганизмов), которые вырабатывают необходимую им энергию восстановлением этого органического азота, преобразуя его таким образом в аммиак.
В почвах происходит процесс нитрификации, состоящий из цепи реакций, где при участии микроорганизмов осуществляется окисление иона аммония (МН 4 +) до нитрита (NO 2 -) или нитрита до нитрата (NО 3 -). Восстановление нитритов и нитратов до газообразных соединений молекулярного азота (N 2) или окиси азота (N 2 O) составляет сущность процесса денитрификации.
Образование нитратов неорганическим путем в небольших количествах постоянно происходит и в атмосфере: путем связывания атмосферного азота с кислородом в процессе электрических разрядов во время гроз, а затем выпадением с дождями на поверхность почвы.
Еще одним источником атмосферного азота являются вулканы, компенсирующие потери азота, выключенного из круговорота при седиментации или осаждении его на дно океанов.
В целом же среднее поступление нитратного азота абиотического происхождения при осаждении из атмосферы в почву не превышает 10 кг (год/га), свободные бактерии дают 25 кг (год/га), в то время как симбиоз Rhizobium с бобовыми растениями в среднем продуцирует 200 кг (год/га). Преобладающая часть связанного азота перерабатывается денитрифицирующими бактериями в N и вновь возвращается в атмосферу. Лишь около 10% аммонифицированного и нитрифицированного азота поглощается из почвы высшими растениями и оказывается в распоряжении многоклеточных представителей биоценозов.
Круговорот фосфора. Круговорот фосфора в биосфере связан с процессами обмена веществ в растениях и животных. Этот важный и необходимый элемент протоплазмы, содержащийся в наземных растениях и водорослях 0,01-0,1%, животных от 0,1% до нескольких процентов, циркулирует, постепенно переходя из органических соединений в фосфаты, которые снова могут использоваться растениями (рис. 12.17).
Рис. 12.17. Круговорот фосфора (по Ф. Рамаду, 1981)
Однако фосфор в отличие от других биофильных элементов в процессе миграции не образует газовой формы. Резервуаром фосфора является не атмосфера, как у азота, а минеральная часть литосферы. Основными источниками неорганического фосфора являются изверженные породы (апатиты) или осадочные породы (фосфориты). Из пород неорганический фосфор вовлекается в циркуляцию выщелачиванием и растворением в континентальных водах. Попадая в экосистемы суши, почву, фосфор поглощается растениями из водного раствора в виде неорганического фосфатиона (РО 4 3-) и включается в состав различных органических соединений, где он выступает в форме органического фосфата. По пищевым цепям фосфор переходит от растений к другим организмам экосистемы. Химически связанный фосфор попадает с остатками растений и животных в почву, где вновь подвергается воздействию микроорганизмов и превращается в минеральные ортофосфаты, а в дальнейшем происходит повторение цикла.
В водные экосистемы фосфор переносится текучими водами. Реки непрерывно обогащают фосфатами океаны. В соленых морских водах фосфор переходит в состав фитопланктона, служащего пищей другим организмам моря, в последующем накапливаясь в тканях морских животных, например рыб. Часть соединений фосфора мигрирует в пределах небольших глубин, потребляясь организмами, другая часть теряется на больших глубинах. Отмершие остатки организмов приводят к накоплению фосфора на разных глубинах. Отсюда следует, что фосфор, попадая в водоемы тем или иным путем, насыщает, а нередко и перенасыщает их экосистемы. Частичный возврат фосфатов на сушу связан с поднятием земной коры выше уровня моря. Определенное количество фосфора переносится на сушу морскими птицами, а также благодаря рыболовству. Птицы отлагают фосфор на отдельных островах в виде гуано.
При рассмотрении круговорота фосфора в масштабе биосферы за сравнительно короткий период можно отметить, что он полностью не замкнут. Механизм возвращения фосфора из океанов на сушу в естественных условиях совершенно не способен компенсировать потери этого элемента на седиментацию.
Круговорот серы. Существуют многочисленные газообразные соединения серы, такие, как сероводород H-S и сернистый ангидрид SO 2 . Однако преобладающая часть круговорота этого элемента имеет осадочную природу и происходит в почве и воде.
Основной источник серы, доступный живым организмам, - сульфаты (SO 4 ,). Доступ неорганической серы в экосистеме облегчает хорошая растворимость многих сульфатов в воде. Растения, поглощая сульфаты, восстанавливают их и вырабатывают серосодержащие аминокислоты (метионин, цистеин, цистин), играющие важную роль в выработке третичной структуры протеинов при формировании дисульфидных мостиков между различными зонами полипептидной цепи.
Подробная схема круговорота серы приведена на рис. 12.18.
Здесь хорошо просматриваются многие основные черты биогеохимического круговорота.
1. Обширный резервный фонд в почве и отложениях, меньший в атмосфере.
2. Ключевую роль в быстро обменивающемся фонде играют специализированные микроорганизмы, выполняющие определенные реакции окисления или восстановления. Благодаря процессам окисления и восстановления происходит обмен серы между доступными сульфатами (SO 4) и сульфидами железа, находящимися глубоко в почве и осадках. Специализированные микроорганизмы выполняют реакции: H 2 S -> S -> SO 4 - бесцветные, зеленые и пурпурные серобактерии; SO 4 -> H 2 S (анаэробное восстановление сульфата) - Desulfovibrio; H 2 S -> SO 4 (аэробное окисление сульфида) - тиобациллы; органическая S в SO 4 и H 2 S - аэробные и анаэробные гетеротрофные микроорганизмы соответственно. Первичная продукция обеспечивает включение сульфата в органическое вещество, а экскреция животными служит путем возвращения сульфата в круговорот.
3. Микробная регенерация из глубоководных отложений, приводящая к движению вверх газовой фазы H 2 S.
Рис. 12.18. Круговорот серы (по Ф. Рамаду, 1981)
4. Взаимодействие геохимических и метеорологических процессов - эрозия, осадкообразование, выщелачивание, дождь, абсорбация-десорбция и др. - с такими биологическими процессами, как продукция и разложение.
5. Взаимодействие воздуха, воды и почвы в регуляции кругом ворота в глобальном масштабе.
В целом экосистеме по сравнению с азотом и фосфором требуется меньше серы. Отсюда сера реже является лимитирующим фактором для растений и животных. Вместе с тем круговорот серы относится к ключевым в общем процессе продукции и разложения биомассы. К примеру, при образовании в осадках сульфидов железа фосфор из нерастворимой формы переводится в растворимую и становится доступным для организмов. Это подтверждение того, как один круговорот регулируется другим.
| Предыдущая |
Является выдающийся русский ученый академик В.И. Вернадский.
Биосфера — сложная наружная оболочка Земли, в которой содержится вся совокупность живых организмов и та часть вещества планеты, которая находится в процессе непрерывного обмена с этими организмами. Это одна из важнейших геосфер Земли, являющаяся основным компонентом природной среды, окружающей человека.
Земля состоит из концентрических оболочек (геосфер) как внутренних, так и внешних. К внутренним относятся ядро и мантия, а к внешним: литосфера - каменная оболочка Земли, включая земную кору (рис. 1) толщиной от 6 км (под океаном) до 80 км (горные системы); гидросфера - водная оболочка Земли; атмосфера — газовая оболочка Земли, состоящая из смеси различных газов, водяных паров и пыли.
На высоте от 10 до 50 км расположен слой озона, с максимальной его концентрацией на высоте 20-25 км, защищающий Землю от чрезмерного ультрафиолетового излучения, гибельного для организма. Сюда же (к внешним геосферам) относится и биосфера.
Биосфера - внешняя оболочка Земли, в которую входят часть атмосферы до высоты 25-30 км (до озонового слоя), практически вся гидросфера и верхняя часть литосферы примерно до глубины 3 км
Рис. 1. Схема строения земной коры
(рис. 2). Особенность этих частей состоит в том, что они населены живыми организмами, составляющими живое вещество планеты. Взаимодействие абиотической части биосферы — воздуха, воды, горных пород и органического вещества - биоты обусловило формирование почв и осадочных пород.
Рис. 2. Структура биосферы и соотношение поверхностей, занятых основными структурными единицами
Круговорот веществ в биосфере и экосистемах
Все доступные для живых организмов химические соединения в биосфере ограничены. Исчерпаемость пригодных для усвоения химических веществ часто тормозит развитие тех или иных групп организмов в локальных участках суши или океана. По выражению академика В.Р. Вильямса, единственный способ придать конечному свойства бесконечного состоит в том, чтобы заставить его вращаться по замкнутой кривой. Следовательно, устойчивость биосферы поддерживается благодаря круговороту веществ и потокам энергии. Имеются два основных круговорота веществ: большой — геологический и малый — биогеохимический.
Большой геологический круговорот (рис. 3). Кристаллические горные породы (магматические) под воздействием физических, химических и биологических факторов преобразуются в осадочные породы. Песок и глина — типичные осадки, продукты преобразования глубинных пород. Однако формирование осадков происходит не только за счет разрушения уже существующих пород, но также и путем синтеза биогенных минералов — скелетов микроорганизмов — из природных ресурсов — вод океана, морей и озер. Рыхлые водянистые осадки по мере их изоляции на дне водоемов новыми порциями осадочного материала, погружения на глубину, попадания в новые термодинамические условия (более высокие температуры и давления) теряют воду, отвердевают, преобразуясь при этом в осадочные горные породы.
В дальнейшем эти породы погружаются в еше более глубокие горизонты, где и протекают процессы их глубинного преобразования к новым температурным и барическим условиям, — происходят процессы метаморфизма.
Под воздействием потоков эндогенной энергии глубинные породы переплавляются, образуя магму — источник новых магматических пород. После поднятия этих пород на поверхность Земли, под действием процессов выветривания и переноса снова происходит их трансформация в новые осадочные породы.
Таким образом, большой круговорот обусловлен взаимодействием солнечной (экзогенной) энергии с глубинной (эндогенной) энергией Земли. Он перераспределяет вещества между биосферой и более глубокими горизонтами нашей планеты.
Рис. 3. Большой (геологический) круговорот веществ (тонкие стрелки) и изменение разнообразия в земной коре (сплошные широкие стрелки — рост, прерывистые — уменьшение разнообразия)
Большим круговоротом называется и круговорот воды между гидросферой, атмосферой и литосферой, который движется энергией Солнца. Вода испаряется с поверхности водоемов и суши и затем вновь поступает на Землю в виде осадков. Над океаном испарение превышает осадки, над сушей наоборот. Эти различия компенсируют речные стоки. В глобальном круговороте воды немаловажную роль играет растительность суши. Транспирация растений на отдельных участках земной поверхности может составить до 80-90% выпадающих здесь осадков, а в среднем по всем климатическим поясам — около 30%. В отличие от большого малый круговорот веществ происходит лишь в пределах биосферы. Взаимосвязь большого и малого круговорота воды показана на рис. 4.
Круговороты планетарного масштаба создаются из бесчисленных локальных циклических перемещений атомов, движимых жизнедеятельностью организмов в отдельных экосистемах, и тех перемещений, которые вызваны действием ландшафтных и геологических причин (поверхностный и подземный сток, ветровая эрозия, движение морского дна, вулканизм, горообразование и т.п.).
Рис. 4. Взаимосвязь большого геологического круговорота (БГК) воды с малым биогеохимическим круговоротом (МБК) воды
В отличие от энергии, которая однажды использована организмом, превращается в тепло и теряется, вещества в биосфере циркулируют, создавая биогеохимические круговороты. Из девяноста с лишним элементов, встречающихся в природе, живым организмам нужно около сорока. Наиболее важные для них требуются в больших количествах — углерод, водород, кислород, азот. Круговороты элементов и веществ осуществляются за счет саморегулирующих процессов, в которых участвуют все составные части . Эти процессы являются безотходными. Существует закон глобального замыкания биогеохимического круговорота в биосфере
, действующий на всех этапах ее развития. В процессе эволюции биосферы увеличивается роль биологического компонента в замыкании биогеохимичес
кого круговорота. Еще большее влияние на биогеохимический круговорот оказывает Человек. Но его роль проявляется в противоположном направлении (круговороты становятся незамкнутыми). Основу биогеохимического круговорота вешеств составляют энергия Солнца и хлорофилл зеленых растений. Другие наиболее важные круговороты — воды, углерода, азота, фосфора и серы — связаны с биогеохимическим и способствуют ему.
Круговорот воды в биосфере
Растения используют водород воды при фотосинтезе в построении органических соединений, выделяя молекулярный кислород. В процессах дыхания всех живых существ, при окислении органических соединений вода образуется вновь. В истории жизни вся свободная вода гидросферы многократно прошла циклы разложения и новообразования в живом веществе планеты. В круговорот воды на Земле ежегодно вовлекается около 500 000 км 3 воды. Круговорот воды и ее запасы показаны на рис. 5 (в относительных величинах).
Круговорот кислорода в биосфере
Своей уникальной атмосферой с высоким содержанием свободного кислорода Земля обязана процессу фотосинтеза. С круговоротом кислорода тесно связано образование озона в высоких слоях атмосферы. Кислород освобождается из молекул воды и является по сути побочным продуктом фотосинтетической активности растений. Абиотическим путем кислород возникает в верхних слоях атмосферы за счет фотодиссоциации паров воды, но этот источник составляет лишь тысячные доли процента от поставляемых фотосинтезом. Между содержанием кислорода в атмосфере и гидросфере существует подвижное равновесие. В воде его примерно в 21 раз меньше.
Рис. 6. Схема круговорота кислорода: полужирные стрелки — основные потоки поступления и расхода кислорода
Выделившийся кислород интенсивно расходуется на процессы дыхания всех аэробных организмов и на окисление разнообразных минеральных соединений. Эти процессы происходят в атмосфере, почве, воде, илах и горных породах. Показано, что значительная часть кислорода, связанного в осадочных породах, имеет фотосинтетическое происхождение. Обменный фонд О, в атмосфере составляет не более 5% общей продукции фотосинтеза. Многие анаэробные бактерии также окисляют органические вещества в процессе анаэробного дыхания, используя для этого сульфаты или нитраты.
На полное разложение органического вещества, создаваемого растениями, требуется точно такое же количество кислорода, которое выделилось при фотосинтезе. Захоронение органики в осадочных породах, углях, торфах послужило основой поддержания обменного фонда кислорода в атмосфере. Весь имеющийся в ней кислород проходит полный цикл через живые организмы примерно за 2000 лет.
В настоящее время значительная часть кислорода атмосферы связывается в результате работы транспорта, промышленности и других форм антропогенной деятельности. Известно, что человечество тратит уже более 10 млрд т свободного кислорода из общего его количества в 430-470 млрд т, поставляемого процессами фотосинтеза. Если учесть, что в обменный фонд поступает лишь небольшая часть фотосинтетического кислорода, деятельность людей в этом отношении начинает приобретать угрожающие масштабы.
Круговорот кислорода теснейшим образом сопряжен с углеродным циклом.
Круговорот углерода в биосфере
Углерод как химический элемент является основой жизни. Он может разными способами соединяться со многими другими элементами, образуя простые и сложные органические молекулы, входящие в состав живых клеток. По распространению на планете углерод занимает одиннадцатое место (0,35% веса земной коры), но в живом веществе он в среднем составляет около 18 или 45% сухой биомассы.
В атмосфере углерод входит в состав углекислого газа С0 2 , в меньшей мере — в состав метана СН 4 . В гидросфере С0 2 растворен в воде, и общее его содержание намного превышает атмосферное. Океан служит мощным буфером регуляции СО 2 в атмосфере: при повышении в воздухе его концентрации увеличивается поглощение углекислого газа водой. Некоторая часть молекул С0 2 реагирует с водой, образуя угольную кислоту, которая затем диссоциирует на ионы НСО 3 - и СО 2- 3 " Эти ионы реагируют с катионами кальция или магния с выпадением в осадок карбонатов. Подобные реакции лежат в основе буферной системы океана, поддерживающей постоянство рН воды.
Углекислый газ атмосферы и гидросферы представляет собой обменный фонд в круговороте углерода, откуда его черпают наземные растения и водоросли. Фотосинтез лежит в основе всех биологических круговоротов на Земле. Высвобождение фиксированного углерода происходит в ходе дыхательной активности самих фотосинтезирующих организмов и всех гетеротрофов — бактерий, грибов, животных, включающихся в цепи питания за счет живого или мертвого органического вещества.
Рис. 7. Круговорот углерода
Особенно активно происходит возврат в атмосферу С0 2 из почвы, где сосредоточена деятельность многочисленных групп организмов, разлагающих остатки отмерших растений и животных и осуществляется дыхание корневых систем растений. Этот интегральный процесс обозначается как «почвенное дыхание» и вносит существенный вклад в пополнение обменного фонда С0 2 в воздухе. Параллельно с процессами минерализации органического вещества в почвах образуется гумус — богатый углеродом сложный и устойчивый молекулярный комплекс. Гумус почв является одним из важных резервуаров углерода на суше.
В условиях, где деятельность деструкторов тормозят факторы внешней среды (например, при возникновении анаэробного режима в почвах и на дне водоемов), органическое вещество, накопленное растительностью, не разлагается, превращаясь со временем в такие породы, как каменный или бурый уголь, торф, сапропели, горючие сланцы и другие, богатые накопленной солнечной энергией. Они пополняют собой резервный фонд углерода, надолго выключаясь из биологического круговорота. Углерод временно депонируется также в живой биомассе, в мертвом опаде, в растворенном органическом веществе океана и т.п. Однако основным резервным фондом углерода на пишете являются не живые организмы и не горючие ископаемые, а осадочные породы — известняки и доломиты. Их образование также связано с деятельностью живого вещества. Углерод этих карбонатов надолго захоронен в недрах Земли и поступает в круговорот лишь в ходе эрозии при обнажении пород в тектонических циклах.
В биогеохимическом круговороте участвуют лишь доли процента углерода от общего его количества на Земле. Углерод атмосферы и гидросферы многократно проходит через живые организмы. Растения суши способны исчерпать его запасы в воздухе за 4-5 лет, запасы в почвенном гумусе — за 300-400 лет. Основной возврат углерода в обменный фонд происходит за счет деятельности живых организмов, и лишь небольшая его часть (тысячные доли процента) компенсируется выделением из недр Земли в составе вулканических газов.
В настоящее время мощным фактором перевода углерода из резервного в обменный фонд биосферы становится добыча и сжигание огромных запасов горючих ископаемых.
Круговорот азота в биосфере
В атмосфере и живом веществе содержится менее 2% всего азота на Земле, но именно он поддерживает жизнь на планете. Азот входит в состав важнейших органических молекул — ДНК, белков, липопротеидов, АТФ, хлорофилла и др. В растительных тканях его соотношение с углеродом составляет в среднем 1: 30, а в морских водорослях I: 6. Биологический цикл азота поэтому также тесно связан с углеродным.
Молекулярный азот атмосферы недоступен растениям, которые могут усваивать этот элемент только в виде ионов аммония, нитратов или из почвенных или водных растворов. Поэтому недостаток азота часто является фактором, лимитирующим первичную продукцию — работу организмов, связанную с созданием органических веществ из неорганических. Тем не менее атмосферный азот широко вовлекается в биологический круговорот благодаря деятельности особых бактерий (азотфиксаторов).
В круговороте азота большое участие также принимают аммонифицирующие микроорганизмы. Они разлагают белки и другие содержащие азот органические вещества до аммиака. В аммонийной форме азот частью вновь поглощается корнями растений, а частью перехватывается нитрифицирующими микроорганизмами, что противоположно функциям группы микроорганизмов — денитрификаторов.
Рис. 8. Круговорот азота
В анаэробных условиях в почвах или водах они используют кислород нитратов для окисления органических веществ, получая энергию для своей жизнедеятельности. Азот при этом восстанавливается до молекулярного. Азотфиксация и денитрификация в природе приблизительно уравновешены. Цикл азота, таким образом, зависит преимущественно от деятельности бактерий, тогда как растения встраиваются в него, используя промежуточные продукты этого цикла и намного увеличивая масштабы циркуляции азота в биосфере за счет продуцирования биомассы.
Роль бактерий в круговороте азота настолько велика, что если уничтожить только 20 их видов, жизнь на нашей планете прекратится.
Небиологическая фиксация азота и поступление в почвы его окислов и аммиака происходит также с дождевыми осадками при ионизации атмосферы и грозовых разрядах. Современная промышленность удобрений фиксирует азот атмосферы в размерах, превышающих природную фиксацию азота, в целях увеличения продукции сельскохозяйственных растений.
В настоящее время деятельность человека все сильнее влияет на круговорот азота, в основном в сторону превышения перевода его в связанные формы над процессами возврата в молекулярное состояние.
Круговорот фосфора в биосфере
Этот элемент, необходимый для синтеза многих органических веществ, включая АТФ, ДНК, РНК, усваивается растениями только в виде ионов ортофосфорной кислоты (Р0 3 4 +). Он относится к элементам, лимитирующим первичную продукцию и на суше, и особенно в океане, поскольку обменный фонд фосфора в почвах и водах невелик. Круговорот этого элемента в масштабах биосферы незамкнут.
На суше растения черпают из почвы фосфаты, освобожденные редуцентами из разлагающихся органических остатков. Однако в щелочной или кислой почве растворимость фосфорных соединений резко падает. Основной резервный фонд фосфатов содержится в горных породах, созданных на дне океана в геологическом прошлом. В ходе выщелачивания пород часть этих запасов переходит в почву и в виде взвесей и растворов вымывается в водоемы. В гидросфере фосфаты используются фитопланктоном, переходя по цепям питания в другие гидробионты. Однако в океане большая часть фосфорных соединений захоранивается с остатками животных и растений на дне с последующим переходом с осадочными породами в большой геологический круговорот. На глубине растворенные фосфаты связываются с кальцием, образуя фосфориты и апатиты. В биосфере, по сути, происходит однонаправленный поток фосфора из горных пород суши в глубины океана, следовательно, обменный фонд его в гидросфере очень ограничен.
Рис. 9. Круговорот фосфора
Наземные залежи фосфоритов и апатитов используются при производстве удобрений. Попадание фосфора в пресные водоемы является одной из главных причин их «цветения».
Круговорот серы в биосфере
Круговорот серы, необходимой для построения ряда аминокислот, отвечает за трехмерную структуру белков, поддерживается в биосфере широким спектром бактерий. В отдельных звеньях этого цикла участвуют аэробные микроорганизмы, окисляющие серу органических остатков до сульфатов, а также анаэробные редукторы сульфата, восстанавливающие сульфаты до сероводорода. Кроме перечисленных группы серобактерий окисляют сероводород до элементарной серы и далее до сульфатов. Растения усваивают из почвы и воды только ионы SO 2- 4 .
Кольцо в центре иллюстрирует процесс окисления (О) и восстановления (R), благодаря которым происходит обмен серы между фондом доступного сульфата и фондом сульфидов железа, находящимся глубоко в почве и осадках.
Рис. 10. Круговорот серы. Кольцо в центре иллюстрирует процесс окисления (0) и восстановления (R), благодаря которым происходит обмен серы между фондом доступного сульфата и фондом сульфидов железа, находящимся глубоко в почве и осадках
Основное накопление серы происходит в океане, куда ионы сульфатов непрерывно поступают с суши с речным стоком. При выделении из вод сероводорода сера частично возвращается в атмосферу, где окисляется до диоксида, превращаясь в дождевой воде в серную кислоту. Промышленное использование большого количества сульфатов и элементарной серы и сжигание горючих ископаемых поставляют в атмосферу большие объемы диоксида серы. Это вредит растительности, животным, людям и служит источником кислотных дождей, усугубляющих отрицательные эффекты вмешательства человека в круговорот серы.
Скорость круговорота веществ
Все круговороты веществ происходят с различной скоростью (рис. 11)
Таким образом, круговороты всех биогенных элементов на планете поддерживаются сложным взаимодействием разных частей . Они формируются деятельностью разных по функциям групп организмов, системой стока и испарения, связывающих океан и сушу, процессами циркуляции вод и воздушных масс, действием сил гравитации, тектоникой литосферных плит и другими масштабными геологическими и геофизическими процессами.
Биосфера действует как единая сложная система, в которой происходят различные круговороты веществ. Главным двигателем этихкруговоротов является живое вещество планеты, все живые организмы, обеспечивающие процессы синтеза, трансформации и разложения органического вещества.
Рис. 11. Темпы циркуляции веществ (П. Клауд, А. Джибор, 1972)
В основе экологического взгляда на мир лежит представление о том, что каждое живое существо окружено множеством влияющих на него различных факторов, образующих в комплексе его место обитания — биотоп. Следовательно, биотоп — участок территории, однородный по условиям жизни для определенных видов растений или животных (склон оврага, городской лесопарк, небольшое озеро или часть большого, но с однородными условиями — прибрежная часть, глубоководная часть).
Организмы, характерные для определенного биотопа, составляют жизненное сообщество, или биоценоз (животные, растения и микроорганизмы озера, луга, береговой полосы).
Жизненное сообщество (биоценоз) образует со своим биотопом единое целое, которое называется экологической системой (экосистемой). Примером естественных экосистем могут служить муравейник, озеро, пруд, луг, лес, город, ферма. Классическим примером искусственной экосистемы является космический корабль. Как видно, здесь нет строгой пространственной структуры. Близким к понятию экосистемы является понятие биогеоценоза.
Основными компонентами экосистем являются:
- неживая (абиотическая) среда. Это вода, минеральные вещества, газы, а также органические вещества и гумус;
- биотические компоненты. К ним относятся: продуценты или производители (зеленые растения), консументы, или потребители (живые существа, питающиеся продуцентами), и редуценты, или разлагатели (микроорганизмы).
Природа действует в высшей степени экономно. Так, созданная организмами биомасса (вещество тел организмов) и содержащаяся в них энергия передаются другим членам экосистемы: животные поедают растения, этих животных поедают другие животные. Этот процесс называют пищевой, или трофической, цепью. В природе пищевые цепи зачастую перекрещиваются, образуя пищевую сеть.
Примеры пищевых цепей: растение — растительноядное животное — хищник; злак — полевая мышь — лиса и др. и пищевая сеть показаны на рис. 12.
Таким образом, состояние равновесия в биосфере основано на взаимодействии биотических и абиотических факторов среды, которое поддерживается благодаря непрерывному обмену веществом и энергией между всеми компонентами экосистем.
В замкнутых круговоротах естественных экосистем наряду с другими обязательно участие двух факторов: наличие редуцентов и постоянное поступление солнечной энергии. В городских и искусственных экосистемах мало или совсем нет редуцентов, поэтому жидкие, твердые и газообразные отходы накапливаются, загрязняя окружающую среду.
Рис. 12. Пищевая сеть и направление потока вещества
Благодаря пищевым цепям, в экосистеме, наряду с перемещением энергии, происходит и транспортировка различных химических элементов. Как и в случае с энергетическими потоками, движущей силой круговорота веществ служит солнечная энергия. Это связано с тем, что в биомассе организмов происходит накопление тех или иных химических веществ, а, значит, при переходе энергии по пищевым цепям также осуществляется и передача веществ, содержащихся в биомассе. Поток веществ сопровождает собой поток энергии в экосистеме, который, в свою очередь, берет начало от энергии солнечного света. Круговорот химических веществ обусловлен также влиянием абиотических составляющих экосистемы (например, климатическим фактором), а также активной хозяйственной деятельностью человека. Потоки веществ в экосистеме объединены понятием биогеохимический круговорот . Биогеохимический круговорот - циркуляция в биосфере хиимческих элементов и неорганических соединений по характерным путям из внешней среды в организмы и из организмов во внешнюю среду. Химические элементы, участвующие в круговороте, не бывают равномерно распределены по всей экосистеме. Кроме того, они могут находиться в различных химических формах. Поэтому, при изучении биогеохимических циклов следует выделить две части.
1) Резервный фонд - большая масса медленно движущихся веществ, в основном не связанных с организмами. Он сосредоточен в земной коре, атмосфере и гидросфере. Перемещение веществ в резервном фонде происходит благодаря влиянию абиотических факторов экосистемы.
2) Обменный фонд. Он представляет собой неорганические вещества, содержащиеся в живых организмах. Для него характерно быстрое перемещение химических элементов между органической и неорганической средами.
По своей природе биогеохимические циклы также подразделяются на две категории. Первая из них - круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере или гидросфере. Другая же представляет собой осадочный цикл (т.е. круговорот твердых веществ) с резервным фондом в земной коре. Круговорот газообразных веществ отличает его способность к поддержанию определенных концентраций тех или иных газов, причем концентрации будут примерно одинаковыми во всех точках атмосферы и гидросферы. В осадочных циклах скорость потока веществ намного ниже, чем в газообразном круговороте, так как основная масса их сосредоточена в земной коре, отличающейся своей малоподвижностью и малоактивностью. Из-за этого, способность к саморегуляции в осадочном круговороте не так велика, как в случае с циркуляцией газообразных веществ.
Схему биогеохимического круговорота можно изобразить в сочетании с упрощенной схемой потока энергии пищевой цепи, приводящем в движение круговорот веществ. Данная схема представляет собой кольцо, направленное от автотрофам к гетеротрофам, а затем замыкающегося на автотрофах. Из данного изображения видно, что при изучении биогеохимических круговоротов главное внимание уделяют резервному фонду, то есть части круговорота, физически и химически отделенной от живых организмов.
Схема биогеохимического круговорота.
При изображении биогеохимических циклов отдельных веществ акцент делается на обмене между организмами и резервным фондом, а также на путях движения веществ внутри экосистемы. В связи с этим, любую экосистему можно представить в виде ряда блоков, через которые проходят различные вещества, и в которых данные вещества могут оставаться на протяжении различных периодов времени. В круговоротах минеральных веществ в экосистеме обычно участвуют три блока: живые организмы, мертвый органический детрит и доступные неорганические вещества. В качестве примеров биогеохимических циклов можно рассмотреть круговороты азота, фосфора и серы. Концентрация азота и фосфора в экосистеме часто напрямую влияют на численность организмов в экосистеме (т.е. являются лимитирующими факторами), а круговорот серы может служить наглядной иллюстрацией связей, сложившихся между атмосферой, гидросферой и земной корой.
Резервный фонд круговорота азота сосредоточен в атмосфере. Атмосферный азот, благодаря деятельности азотофиксирующих бактерий, а также посредством атмосферных явлений, попадает в почву или воду в виде соединений с другими элементами (т.н. нитратов ). Затем азот усваивается продуцентами, а после и консументами. При разложении деструкторами мертвого органического вещества и вместе с продуктами выделения животных, в почвенной и водной средах происходит накопление азотосодержащего газа аммиака. В дальнейшем, под воздействием различных бактерий, азот либо снова попадает в атмосферу, либо в составе нитратов оказывается в почве и воде. Причем растворенные в воде нитраты могут оседать на дне водоемов, и в этом вучае азот, содержащийся в них, выпадает из круговорота веществ.
Схема круговорота азота.
В отличии от азота, резервным фондом круговорота фосфора служат горные породы и другие отложения, образовавшиеся в течении миллионов лет. Содержащиеся в них соединения фосфора (фосфаты ) подвергаются постепенному растворению, после чего фосфор из растворенных фосфатов переходит к растениям, а затем и к животным. После разложения мертвого органического вещества, фосфор, находившейся в нем, оказывается в составе соединений, содержащихся в воде и почве, и снова попадает в обменый фонд круговорота. Однако часть останков животных (прежде всего костная ткань) со временем соединяется с фосфатными породами или отложениями на дне водоемов. В последнем случае происходит выпадение фосфора из беогеохимического цикла. Но возвращение фосфора в круговорот происходит в гораздо меньших количествах, чем выпадение из него. Деятельность человека также приводит к большим утечкам фосфора, в результате чего в будущем может начаться дефицит данного элемента.
Одной из основных особенностей круговорота серы состоит в том, что его резервный фонд находится одновременно и в почве, и в атмосфере. В виде соединений с металлами (сульфидов ) она залегает в виде руд на суше и входит в состав глубоководных отложений. В доступную для усвоения организмами растворимую форму эти соединения переводятся так называемыми хемосинтезирующими бактериями, способными получать энергию путём окисления восстановленных соединений серы. В результате образуются т.н. сульфаты , которые используются растениями. Глубоко залегающие сульфаты вовлекаются в круговорот другой группой микроорганизмов, восстанавливающих сульфаты до сероводорода.
Схема круговорота фосфора.
В заключении, необходимо рассмотреть биогеохимические циклы углерода и воды. Углерод имеет исключительное значение для живого вещества. Из углерода в экосистеме создаются миллионы органических соединений. Углерод из углекислого газа атмосферы в процессе фотосинтеза, осуществляемого растениями, ассимилируется и превращается в органические соединения растений, а затем и животных. На следующем этапе круговорота органическая масса в результате дыхания и разложения превращается в углекислый газ или оседают в виде органических отложений (например, торфа) которые, в свою очередь, дают начало многим другим соединениям - каменным углям, нефти. В активном круговороте углекислый газ живое вещество участвует очень небольшая часть всей массы углерода. Огромное количество углекислоты законсервировано в виде ископаемых известняков и других пород.
Между углекислым газом атмосферы и водой океана существует подвижное равновесие. Организмы поглощают углекислый кальций, создают свои скелеты, а затем из них образуются пласты известняков. Атмосфера пополняется углекислым газом благодаря процессам разложения органических веществ, карбонатов и т.д. Особенно мощным источником являются вулканы, газы которых состоят главным образом из паров воды и углекислого газа, а также сжигание ископаемого топлива человеком.
В процессе протекания круговорота воды, происходит испарение влаги с поверхности водоемов и уход ее в воздушную среду, после чего она переносится потоками воздуха на большие расстояния. В дальнейшем, вода выделяется из атмосферы посредством осадков. Часть из них растворяют горные породы и таким образом делают содержащиеся в их составе соединения доступными для усвоения продуцентами. Благодаря атмосферным осадкам также образуется фонд грунтовых вод. Не следует забывать и о потреблении воды живыми организмами. Особое внимание следует акцентировать на том, что водоемы с испарением теряют больше воды, чем получают с осадками. Кроме того, в результате деятельности человека сокращается пополнение грунтовых вод. Следовательно, вода является трудновосполнимым ресурсом, требующим очень рационального использования.
Схема круговорота серы.
Схема круговорота углерода.
Схема круговорота воды.
Таким образом главное свойство потоков веществ в экосистемах - их цикличность. Вещества в экосистемах совершают сложный многоступенчатый круговорот, попадая сначала к живым организмам, затем в абиотическую среду и вновь возвращаясь к организмам. При этом, часть массы веществ могут надолго выпасть из биогеохиимческих циклов. Биогеохимические циклы веществ сопровождают энергетические потоки в экосистемах. Вмешательство человека в данные процессы может неблагоприятно сказаться на состоянии отдельных экосистем и биосферы в целом.
