Основные функции живого вещества в биосфере
Процессы в биосфере
Накопление живым веществом
Разведанные запасы некоторых химических элементов и их ежегодное
Средний элементный химический состав живого вещества суши
Средний химический состав оболочек планеты
| Оболочка планеты | Состав, мас. % |
| Атмосфера | O – 23,15 %, N – 75,52 % |
| Гидросфера | O – 88,8 %, H – 11,2 % |
| Литосфера | O – 50 %, Si – 26 % |
| Биосфера (биота) | O – 70 %, C – 18 % |
| Элемент | Содержание, % от живой массы | Элемент | Содержание, % от живой массы |
| O | Mg | 4٠10-2 | |
| C | Cl | 2٠10-2 | |
| H | 10,5 | Na | 2٠10-2 |
| Ca | 5٠10-1 | Fe | 1٠10-2 |
| N | 3٠10-1 | Al | 5٠10-3 |
| K | 3٠10-1 | Ba | 3٠10-3 |
| Si | 2٠10-1 | Sr | 2٠10-3 |
| P | 7٠10-2 | Mn | 1٠10-3 |
| S | 5٠10-2 | B | 1٠10-3 |
| Элемент | Концентрируется при фотосинтезе, т | Мировые запасы сырья, т | Элемент | Концентрируется при фотосинтезе, т | Мировые запасы сырья, т |
| C | 1011 | 1012 | Co | 105 | 106 |
| P | 109 | 1010 | Ni | 106 | 107 |
| Cr | 105 | 108 | Cu | 107 | 108 |
| Mn | 107 | 108 | Zn | 107 | 107 |
| Fe | 108 | 1011 | Mo | 105 | 106 |
Специфической чертой биосферы как особой оболочки Земли является происходящий в ней круговорот веществ, регулируемый деятельностью живых организмов. Живое вещество выполняет в биосфере следующие биогеохимические функции:
– газовую (поглощает и выделяет газы);
– окислительно-восстановительную (окисляет, например, углеводы до углекислого газа и восстанавливает его до углеводов);
– концентрационную (организмы-концентраторы накапливают в своих телах и скелетах азот, фосфор, кремний, кальций, магний и другие элементы).
| Функции | Краткая характеристика процессов |
| Энергетическая | Поглощение солнечной энергии при фотосинтезе, химической энергии в результате разложения энергонасыщенных веществ; передача энергии по пищевой цепи разнородного живого вещества. |
| Концентрационная | Избирательное накопление в ходе жизнедеятельности определенных видов вещества, используемых для построения тела организма и удаляемых из него при метаболизме. |
| Деструктивная | Минерализация био- и небоигенного органического вещества; разложение неживого неорганического вещества; вовлечение образовавшихся веществ в биологический круговорот. |
| Средообразующая | Преобразование физико-химических параметров среды. |
| Транспортная | Перенос вещества против силы тяжести и в горизонтальном направлении. |
Круговорот веществ – это многократное участие веществ в процессах, протекающих в атмосфере, гидросфере и литосфере. Геологический (большой) круговорот веществ связан с образованием и разрушением различных форм рельефа в результате геологических процессов при участии энергии Солнца (горообразование, выветривание горных пород, подъем новых материков). Геологический круговорот протекает без участия живых организмов и охватывает обширные области за пределами биосферы.
Движущей силой биологического (биогеохимического или малого) круговорота веществ является деятельность живых организмов, а главным источником энергии является солнечная радиация. Он совершается в пределах биосферы, а его интенсивность определяется в первую очередь температурой окружающей среды и количеством воды (в тропиках скорость круговорота выше, чем в тундре).
Движущей силой антропогенного круговорота веществ является хозяйственная деятельность человека, которая приводит к истощению природных ресурсов и загрязнению природной среды, что обусловливает незамкнутость антропогенного круговорота (обмена) веществ.
Из всех химических элементов наиболее важными для организмов и наиболее значимыми для биосферы являются круговороты основных элементов, входящих в состав живого вещества: углерода, кислорода, азота, фосфора и серы, поскольку они являются компонентами для построения основных молекул живого вещества - углеводов, липидов, белков и нуклеиновых кислот. Эти круговороты создаются живым веществом и одновременно поддерживают жизнедеятельность самих живых организмов. В процессе фотосинтеза за год зелеными растениями потребляется 480 млрд т вещества, уходит в атмосферу 250 млрд т свободного кислорода; при этом создается 240 млрд т живого вещества, в круговорот вовлекается 1,0 млрд т азота, 260 млн т фосфора, 200 млн т серы.
За время существования биосферы свободный кислород атмосферы обновлялся не менее миллиона раз, а воды Мирового океана прошли через биогенный цикл не менее 300 раз.
Круговорот воды является одним из грандиозных процессов на поверхности земного шара. Он играет главную роль в связывании геологического и биотического круговоротов. В биосфере вода совершает большой и малый круговороты, непрерывно переходя из одного состояния в другое. Испарение воды с поверхности океана, перенос и конденсация водяного пара в атмосфере, выпадение осадков на поверхность океана или на сушу с последующим возвращением воды в океан с речным и подземным стоком образуют большой круговорот. Взаимодействуя с литосферой, атмосферой и живым веществом, круговорот воды связывает воедино все части гидросферы: океан, реки, почвенную влагу, подземные воды и атмосферную влагу.
Активность водообмена (по М.И Львовичу)
| Часть гидросферы | Объем, тыс. км3 | Активность водообмена, число лет |
| Океан | 1 370 000 | 3 000 |
| Подземные воды В том числе зоны активного водообмена | 60 000 | 5 000 |
| 4 000 | ||
| Полярные ледники | 24 000 | 8 000 |
| Поверхностные воды суши | ||
| Реки | 1,2 | 0,030 |
| Почвенная влага | ||
| Пары атмосферы | 0,027 | |
| Вся гидросфера | 1 454 000 | 2 800 |
Малый круговорот воды отличается тем, что он происходит в пределах экосистемы, представляя собой круговую циркуляцию воды между гидросферой, почвой, атмосферой, растениями, животными и микроорганизмами.
Круговорот углерода в биосфере начинается с поглощения СО2 при фотосинтезе зелеными растениями и фотосинтезирующими водорослями, включает прохождение углерода по цепям питания в составе разнообразных органических соединений и заканчивается выделением углерода в составе СО2, образующегося при окислении органических веществ в процессе дыхания всех видов организмов или их разложения после гибели. Часть углерода может выводится из круговорота и при последующем захоронении детрита накапливаться в литосфере в виде торфа, угля, горных сланцев, рассеянной органики или осадочных горных пород. Теперь человечество в огромных количествах добывает ископаемое топливо для обеспечения потребностей в энергии и, сжигая его, в определенном смысле завершает круговорот углерода, возвращая в атмосферу углекислый газ.
Другой путь углерода связан с созданием карбонатной системы в различных водоемах, где CO2 переходит в H2CO3, HCO31- и CO32-, а затем с помощью растворенного в воде кальция (реже магния) происходит осаждение карбонатов CaCO3 биогенным и абиогенным путями с образованием залежей известняков.
Круговорот углерода неразрывно связан с круговоротом кислорода – одного из наиболее активных газов, занимающего в составе земной атмосферы второе место после азота. Круговорот кислорода весьма сложен, поскольку он входит в состав множества химических соединений минерального и органического миров, но одним из ключевых звенев его также является СО2 В течение геологической истории Земли содержание СО2 в атмосфере все время снижалось, составляя когда-то 60%, но за последние 100 лет его концентрация вновь стала возрастать и, увеличилась на 25%, что, при сохранении этой тенденции, по мнению многих, может привести к глобальному потеплению. Парниковым эффектом (т.е. способностью задерживать тепловое излучение Земли в космос) обладают многие газы: фреоны (хлорфторуглероды, например - CCl2F2), метан CH4, оксиды азота, пары воды и другие, однако СО2 обеспечивает около 60% этого эффекта, последствиями которого может стать повышение уровня Мирового океана и затопление прибрежных территорий, изменение климата и усиление штормовой активности, смещение климатических зон, таяние многолетней мерзлоты и т.д.
С циркуляцией кислорода связана также проблема разрушения озонового слоя атмосферы, куда в результате человеческой деятельности попадают сотни веществ, многие из которых являются парниковыми газами и разрушителями озона: например, соединение хлора и брома, оксиды азота и серы и т.д.
По прогнозам при сокращении озонового слоя на 5% поток ультрафиолетового излучения увеличится на 10%, а количество заболеваний раком кожи – на 20-30%.
Круговорот азотаявляется примером саморегулирующегося цикла с большим резервным фондом в атмосфере, в который азот составляет 78%. Большую роль в этом цикле играют микроорганизмы - азотфиксаторы (клубеньковые бактерии бобовых растений, некоторые водоросли и грибы), переводящие N2 в нитраты, доступные остальным растениям, от которых по пищевым цепям он передается другим организмам экосистемы. Продукты их жизнедеятельности и мертвые тела, разлагаясь с помощью бактерий, возвращают азот в почву, главным образом в аммонийной (NH4+) форме, которую некоторые бактерии - нитрификаторы могут переводить в нитритную (NО2-) или нитратную форму (NО3-), усваиваемые любыми растениями. Восстановление связанного азота до газообразного N2 или оксидов азота NxOy осуществляется бактериями – денитрификаторами.
Проблемы, связанные с круговоротом азота заключаются в том, что для повышения продуктивности агроценозов, человек вносит в почву азотные удобрения, которые усваиваются не более чем на 50%. Смытые в реки нитраты приводят к эвтрофированию водоемов, а накопленные в овощах могут вызвать отравление. Оксиды азота, которые образуются в двигателях внутреннего сгорания и входят в состав фотохимического смога, взаимодействуя на свету с не полностью сгоревшими углеводородами топлива, образуют ядовитые озон и ПАН (пероксиацетилнитрат). Кроме того окислы азота в некоторых районах дают до 40% кислотных дождей, под воздействием которых не только гибнут природные сообщества, но и разрушаются памятники архитектуры.
Кислотные дожди связаны и скруговоротом серы, который имеет свои особенности. Сера – биогенный элемент, который почти не бывает в дефиците, имея обширный резервный фонд в почве в виде сульфатов и образуя свыше 420 минералов. В круговороте серы наряду с геохимическими и метеорологическими процессами большую роль играют микроорганизмы, одни из которых выполняют функцию окисления (например, аэробное окисление H2S до SO42- серо- и тиобактериями) а другие восстановления (анаэробное восстановление SO42- до H2S сульфатредуцирующими бактериями). Сульфат SO42- - это основная доступная для живых организмов форма серы, которая восстанавливается автотрофами и включается в белки.
Круговорот фосфораэто пример осадочного цикла с резервным фондом в земной коре, где, входя в состав различных минералов, фосфор содержится в виде неорганического фосфат-иона PO43-, который поглощают растения, включая фосфор в состав различных органических соединений, передаваемых по пищевым цепям всем прочим организмам экосистемы. В процессе клеточного дыхания фосфаты вновь поступают в окружающую среду, после чего могут снова поглощаться растениями и начинать новый цикл.
В отличие от углекислого газа, который свободно переносится воздушными потоками, у фосфора нет газовой фазы и, попадая в водоемы, он аккумулируется там, насыщая, а иногда и перенасыщая их экосистемы.
Фосфор и другие минеральные биогены циркулируют в экосистеме лишь в том случае, если содержащие их "отходы" жизнедеятельности откладываются в местах поглощения данного элемента, как это и происходит в естественных экосистемах, но когда в их функционирование вмешивается человек, он нарушает естественный круговорот, перевозя например, удобрения или урожай вместе с аккумулированными биогенами на большие расстояния к потребителям.
Связующим и важнейшим составным элементом биосферы и всех других оболочек планеты является кислород:
Несмотря на то, что в состав живых организмов входят те же химические элементы, соединения которых образуют атмосферу, гидросферу и литосферу, организмы не повторяют полностью химического состава среды.