Биогеохимические циклы

 

Геологический и биологический круговороты связаны – они существуют как единый процесс, рождая циркуляцию веществ, так называемые биогеохимические циклы (БГХЦ). Этот круговорот элементов обусловлен синтезом и распадом органических веществ в экосистеме. В БГХЦ задействованы не все элементы биосферы, а только органогенные. Из них состоят живые организмы, эти элементы вступают в многочисленные реакции и участвуют в процессах, протекающих в живых организмах.

В процентном соотношении совокупная масса живого вещества биосферы состоит из следующих основных органогенных элементов: кислорода – 70%, углерода – 18%, водорода – 10,5%, кальция – 0,5%, калия – 0,3%, азот – 0,3%, (кислород, водород, азот, углерод присутствуют во всех ландшафтах и являются основой живых организмов – 98%).

Сущность биогенной миграции химических элементов.Таким образом, в биосфере имеют место биогенный круговорот веществ (т.е. круговорот, вызванный жизнедеятельностью организмов) и однонаправленный поток энергии. Биогенная миграция химических элементов определяется в основном двумя противоположными процессами:

1). Образование живого вещества из элементов окружающей среды за счет солнечной энергии;

2). Разрушение органических веществ, сопровождающееся выделением энергии. При этом элементы минеральных веществ многократно попадают в живые организмы, входя тем самым в состав сложных органических соединений, форм, а затем при разрушении последних снова приобретают минеральную форму.

Существуют элементы, входящие в состав живых организмов, но не относящиеся к органогенным. Такие элементы классифицируются по их весовой доле в организмах:

Макроэлементы – составляющие не менее 10^-2% массы;

Микроэлементы – составляющие от 9*10^-3 до 1*10^-3% массы;

Ультрамикроэлементы – менее 9*10^-6% массы;

Чтобы определить место органогенных элементов среди других химических элементов биосферы, рассмотрим принятую в экологии классификацию. По проявляемой активности в процессах, протекающих в биосфере, все химические элементы делят на 6 групп:

1. Благородные газы – гелий, неон, аргон, криптон, ксенон. Инертные газы в состав живых организмов не входят;

2. Благородные металлы – рутений, радий, палладий, осмий, иридий, платина, золото. Эти металлы почти не создают соединений в земной коре;

3. Циклические или органогенные элементы (их ещё называют миграционными);

4. Рассеянные элементы, характерные преобладанием свободных атомов. Вступают в химические реакции, но их соединения редко встречаются в земной коре. Разделяются на две подгруппы. Первая – рубидий, цезий, ниобий, тантал – создают соединения в глубинах земной коры, а на поверхности их минералы разрушаются. Вторая – йод, бром – вступают в реакции лишь на поверхности (их минералы – селен, галлий, германий, кадмий, индий, гафний, рений, талий).

5. Радиоактивные элементы – полоний, радон, радий, уран, нептуний, плутоний.

6. Редкоземельные элементы – иттрий, самарий, европий, тулий т.д.;

На третью группу органогенных элементов в земной коре приходится 99,7% всей массы, а на остальные 5 групп – 0,3%.Таким образом, основная масса элементов – это мигранты, которые осуществляют кругооборот в географической оболочке, а часть инертных элементов очень мала.

Круглогодично биохимические циклы приводят в движение около 480 млрд. т. вещества.

Вернадский сформулировал три биогеохимических принципа, которые объясняют сущность биогенной миграции химических элементов:

1. Биогенная миграция химических элементов в биосфере всегда стремится к максимальному своему проявлению;

2. Эволюция видов в ходе геологического времени, приводящая к созданию устойчивых форм жизни, идёт в направлении, усиливающем биогенную миграцию атомов;

3. Живое вещество находится в непрерывном химическом обмене с окружающей его средой, что является фактором, воссоздающим и поддерживающим биосферу.

Рассмотрим, как движутся в биосфере некоторые из этих элементов.

Круговорот углерода.Главным участником биотического круговорота является углерод как основа органических веществ. Преимущественно круговорот углерода происходит между живым веществом и углекислым газом атмосферы в процессе фотосинтеза. С пищей его получают травоядные, от травоядных – хищники. При дыхании, гниении углекислый газ частично возвращается в атмосферу, возврат происходит при сжигании органических полезных ископаемых.

При отсутствии возврата углерода в атмосферу, он был бы израсходован зелёными растениями за 7-8 лет. Скорость биологического оборота углерода через фотосинтез – 300 лет. Мировой океан играет большую роль в регулировании содержания СО₂ в атмосфере. Если в атмосфере повышается содержание СО₂, часть его растворяется в воде, вступая в реакцию с карбонатом кальция.