Круговорот вещества и энергии. Биогеохимические циклы.

Границы, состав, структура биосферы

Биосфера охватывает всю поверхность суши, моря и океаны, а также проникает в недра Земли. Верхней границей биосферы является озоновый экран на границе тропосферы и стратосферы в атмосфере. Озоновый экран не пропускает губительные для живых организмов ультрафиолетовые лучи Солнца. Нижняя граница биосферы неопределенная, охватывает несколько метров (почвенный слой), по трещинам может проникать на сотни метров и даже до 3 км (бактерии в нефтяных месторождениях)

Биосфера, являясь глобальной экосистемой, состоит из абиотической и биотической частей.

1. Абиотическая часть представлена:

а) почвой и подстилающими ее породами до глубины, где в них еще есть живые организмы, вступающие в обмен с веществом этих пород и физической средой порового пространства;

б) атмосферным воздухом до высот, на которых возможны еще проявления жизни;

в) водной средой океанов, рек, озер и т. п.

2. Биотическая часть состоит из живых организмов всех видов.

 

Живые организмы осуществляют биогенный ток атомов, благодаря своему дыханию, питанию и размножению, обеспечивая обмен веществом между всеми частями биосферы.

 

В основе биогенной миграции в биосфере лежат два биохимических принципа:

– стремиться к максимальному проявлению, к «всюдности» жизни;

– обеспечить выживание организмов, что увеличивает саму биогенную миграцию.

 

 

Выделяют два основных круговорота веществ в природе:

1. Большой (геологический),

2. Малый (биогеохимический).

 

Большой круговорот веществ в природе (геологический).Геологический круговорот обусловлен взаимодействием солнечной энергии с глубинной энергией Земли и осуществляет перераспределение вещества между биосферой и более глубокими горизонтами Земли.

Осадочные горные породы, образованные за счет выветривания магматических пород, в подвижных зонах земной коры вновь погружаются в зону высоких температур и давлений. Там они переплавляются и образуют магму – источник новых магматических пород. После поднятия этих пород на земную поверхность и действия процессов выветривания вновь происходит трансформация их в новые осадочные породы (рис.).

 

		Энергия радиоактивного распада

 

 

Большой круговорот включает и круговорот воды между сушей и океаном через атмосферу. Влага, испарившаяся с поверхности Мирового океана, переносится на сушу, где выпадает в виде осадков, которые вновь возвращаются в океан в виде поверхностного и подземного стока

 

Малый круговорот веществ в биосфере (биогеохимический). Онсовершается лишь в пределах биосферы. Сущность его – в образовании живого вещества из неорганических соединений в процессе фотосинтеза и в превращении органического вещества при разложении вновь в неорганические соединения.

Биогеохимические круговороты отдельных веществ В. И. Вернадский называл биогеохимическими циклами. Суть цикла в следующем: химически элементы, поглощенные организмом, впоследствии его покидают, уходя в абиотическую среду, затем, через какое-то время, снова попадают в живой организм и т. д.

 

Участвуя в этих циклах, живое вещество выполняет свои функции.

– первая функция – газовая – основные газы атмосферы Земли, азот и кислород, биогенного происхождения, как и все подземные газы – продукт разложения отмершей органики;

– вторая функция– концентрационная – организмы накапливают в своих телах многие химические элементы, среди которых на первом месте стоит углерод, среди металлов первый кальций, концентраторами кремния являются диатомовые водоросли, йода – водоросли (ламинария), фосфора – скелеты позвоночных животных;

– третья функция – окислительно-восстановительная – организмы, обитающие в водоемах, регулируют кислородный режим и создают условия для растворения или же осаждения ряда металлов (V, Mn, Fe) и неметаллов (S) с переменной валентностью;

– четвертая функция – биохимическая – размножение, рост и перемещение в пространстве («расползание») живого вещества.

В биогеохимических круговоротах следует различать две части, или как бы два среза: 1) резервный фонд — это огромная масса движу­щихся веществ, не связанных с организмами, 2) обменный фонд — зна­чительно меньший, но весьма активный, обусловленный прямым об­меном биогенным веществом между организмами и их непосредст­венным окружением. Если же рассматривать биосферу в целом, то' в ней можно выделить: 1) круговорот газообразных веществ с резерв­ным фондом в атмосфере и гидросфере (океан) и 2) осадочный цикл с резервным фондом в земной коре (в геологическом круговороте).

 

Биогеохимические циклы углерода, азота и кислорода(рис. 6.9) наиболее совершенны. Благодаря большим атмосферным резервам, они способны к быстрой саморегуляции. В круговороте углерода, а точ­нее — наиболее подвижной его формы — С0₂, четко прослеживается трофическая цепь: продуценты — улавливающие углерод из атмосферы при фотосинтезе, консументы — поглощающие углерод вместе с телами продуцентов и консументов низших порядков, редуцентов возвращающих углерод вновь в круговорот. Скорость оборота С0₂ составляет порядка 300 лет (полная его замена в атмосфере и других элементов цикла (рис.6.10

Главным резервуаром биологически связанного углерода являют­ся леса, они содержат до 500 млрд. т этого элемента, что составляет 2/3 его запаса в атмосфере. Вмешательство человека в круговорот уг­лерода приводит к возрастанию содержания С0₂ в атмосфере

Скорость круговорота кислорода — 2000 лет (рис. 6.10), именно за это время весь кислород атмосферы проходит через живое вещество. Основной поставщик кислорода на Земле — зеленые растения. Еже­годно они производят на суше 53 • 10⁹ т кислорода, а в океанах — 114109 т.

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

Подсчитано, что на промышленные и бытовые нужды ежегодно расходуется 23% кислорода, который освобождается в процессе фо-I тосинтеза.

Предполагается, что ближайшее время весь продуцированный кислород будет сгорать в топках, а следовательно, необходимо значи­тельное усиление фотосинтеза и другие радикальные меры.

Биогеохимический круговорот азота не менее сложен, чем угле­рода и кислорода, и охватывает все области биосферы. Поглощение его растениями ограничено, так как они усваивают азот только в фор­ме соединения его с водородом и кислородом. И это при том, что за­пасы азота в атмосфере неисчерпаемы (78% от ее объема). Редуценты (деструкторы), а конкретно почвенные бактерии, постепенно разла­гают белковые вещества отмерших организмов и превращают их в ам­монийные соединения, нитраты и нитриты. Часть нитратов попадает в процессе круговорота в подземные воды и загрязняет их

Опасность заключается также и в том, что азот в виде нитратом и нитритов усваивается растениями и может передаваться по пище­вым (трофическим) цепям.

Азот возвращается в атмосферу вновь с выделенными при гниении газами. Роль бактерий в цикле азота такова, что если будет унич­тожено только 12 их видов, участвующих в круговороте азота, жизнь на Земле прекратится. Так считают американские ученые.

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

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

Круговорот серы и фосфора — типичный осадочный биогеохими­ческий цикл. Такие циклы легко нарушаются от различного рода воз­действий и часть обмениваемого материала выходит из круговорота. Возвратиться опять в круговорот она может лишь в результате геоло­гических процессов или путем извлечения живым веществом биофильных компонентов.

Фосфор содержится в горных породах, образовавшихся в прошлые геологические эпохи. В биогеохимический круговорот (рис. 6.11) он может попасть в случае подъема этих пород из глубины земной коры на поверхность суши, в зону выветривания. Эрозионными процессами он выносится в море в виде широко известного минерала апатита.

Общий круговорот фосфора можно разделить на две части — водную и наземную. В водных экосистемах он усваивается фитопланкто­ном и передается по трофической цепи вплоть до консументов третьего порядка — морских птиц. Их экскременты (гуано) снова попадают в море и вступают в круговорот, либо накапливаются на берегу и смываются в море.

Из отмирающих морских животных, особенно рыб, фосфор снова попадает в море и в круговорот, но часть скелетов рыб достигает боль­ших глубин и заключенный в них фосфор снова попадает в осадочные породы.

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

 

Сера также имеет основной резервный фонд в отложениях и почве, но, в отличие от фосфора, имеет резервный фонд и в атмосфере рис. 6.12). В обменном фонде главная роль принадлежит микроорга­низмам. Одни из них — восстановители, другие — окислители

В горных породах сера встречается в виде сульфидов (FeS₂ и др.),1 в растворах — в форме иона (S0₄)₂, в газообразной фазе в виде сероводорода (H₂S) или сернистого газа (S0₂). В некоторых организмах сера! накапливается в чистом виде (S₂) и при их отмирании на дне морей I образуются залежи самородной серы.

В морской среде сульфат-ион занимает второе место по содержанию после хлора и является основной доступной формой серы, которая восстанавливается автотрофами и включается в состав аминокислот.

Круговорот серы, хотя ее требуется организмам в небольших количествах, является ключевым в общем процессе продуцирования и разложения (Ю. Одум, 1986). Например, при образовании сульфидов железа, фосфор переходит в растворимую форму, доступную для организмов.

В наземных экосистемах сера возвращается в почву при отмира­нии растений, захватывается микроорганизмами, которые восста­навливают ее до H₂S. Другие организмы и воздействие самого кисло­рода приводят к окислению этих продуктов. Образовавшиеся сульфа­ты растворяются и поглощаются растениями из поровых растворов почвы — так продолжается круговорот.

Однако круговорот серы, так же как и азота, может быть нару­шен вмешательством человека (см. рис. 6.12). Виной тому прежде всего сжигание ископаемого топлива, а особенно угля. Сернистый газ (S()₂T) нарушает процессы фотосинтеза и приводит к гибели расти­тельности.

Биогеохимические циклы легко нарушаются человеком. Так, до­пивая минеральные удобрения, он загрязняет воду и воздушную среду. В воду попадает фосфор, вызывая эвтрофикацию, азотистые высокотоксичные соединения и др. Иными словами, круговорот становится не циклическим, а ациклическим. Охрана природных ресурсов Должна быть направлена на то, чтобы ациклические процессы пре­сытить в циклические.

Таким образом, всеобщий гомеостаз биосферы зависит от ста­бильности биогеохимического круговорота веществ в природе. Но являясь планетарной экосистемой, она состоит из экосистем всех уровней, первоочередное значение для ее гомеостаза имеют целост­ность ее и устойчивость природных экосистем.