Круговороты веществ и энергии в природе

В природе существует целый ряд круговоротов веществ и энергии. Большой круговорот веществ в природе (геологический) обусловлен взаимодействием солнечной энергии с глубинной энергией Земли и осуществляет перераспределение веществ между биосферой и более глубокими горизонтами Земли. Осадочные горные породы погружаются в зону высоких температур и давлений в подвижных зонах земной коры. 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. Большой круговорот включает и круговорот воды между сушей и океаном через атмосферу. Влага, испарившаяся с поверхности мирового океана, переносится на сушу, куда выпадает в виде осадков, которые вновь возвращаются в океан в виде поверхностного и подземного стоков. Круговорот воды происходит и по более простой схеме: испарение влаги с поверхности океана — конденсация водяного пара — выпадение осадков на поверхность океана. В круговороте воды на Земле ежегодно участвует более 500 тыс км3 воды. Весь запас воды на Земле распадается и восстанавливается за 2 млн лет.

Малый круговорот веществ (биогеохимический) совершается лишь в пределах биосферы. Сущность его заключается в образовании живого вещества из неорганических соединений в процессе фотосинтеза и в превращении органического вещества при разложении вновь в неорганические соединения. Этот круговорот для жизни биосферы — главный и является порождением самой жизни. Изменяясь, рождаясь и умирая, живое вещество поддерживает жизнь на нашей планете, обеспечивая биогеохимический круговорот веществ. Главным источником энергии круговорота является солнечный свет, который обеспечивает фотосинтез:

В рядеэкосистем, особенно водных, переносвещества и энергии осуществляется посредством трофических цепей. Такой круговорот обычно называется биологическим и предполагает многократное использование веществ с трофической цепью. Однако в масштабах всей биосферы такой круговорот невозможен, так как здесь действует биохимический круговорот, представляющий собой обмен макро- и микроэлементов и простых неорганических .веществ (С02, Н20) с веществом атмосферы, гидросферы и литосферы. Круговороты отдельных веществ называются биогеохимическими циклами. Суть такого цикла заключается в том, что химические элементы, поглощенные организмом, впоследствии его покидают и уходят в абиотическую среду, а через какое-то время они снова попадают в живой организм. Такие химические элементы называют биофильными. В биогеохимических круговоротах веществ следует различать резервный фонд, или вещества, не связанные с организмами; обменный фонд, обусловленный прямым обменом биогенными веществами между организмами и их непосредственным окружением. Если же рассматривать биосферу в целом, то в ней можно выделить круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере и гидросфере (океан) и осадочный цикл с резервным фондом в земной коре в геологическом круговороте.

Биохимические циклы и круговороты в целом обеспечивают выполнение следующих важнейших функций живого вещества в биосфере:

• газовую: основные газы атмосферы Земли, азот и кислород, имеют биогенное происхождение, а все подземные газы — продукт разложения отмершей органики;

• концентрационную: организмы накапливают в своих телах многие химические элементы — углерод, калий, кремний, фосфор и др.;

• окислительно-восстановительную: 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;

• биохимическую: размножение, рост и перемещение в пространстве живого вещества;

• биогеохимическую деятельность человека: вовлечение в возрастающих количествах природных веществ для хозяйственных и бытовых нужд человека.

Единственным на Земле процессом, который не расходует, а наоборот, связывает солнечную энергию и даже накапливает ее — это создание органического вещества в результате фотосинтеза. В связывании и запасании солнечной энергии и заключается основная планетарная функция живого вещества на Земле.

Наиболее жизненно важными биогенными веществами, участвующими в биогеохимических циклах и из которых в основном состоят белковые молекулы, являются углерод, азот, кислород, фосфор, сера. Биогеохимические циклы углерода, азота и кислорода наиболее совершенны. Благодаря большим атмосферным резервам они способны к быстрой саморегуляции.

В круговороте углерода, а точнее С02, четко прослеживается трофическая цепь: продуценты, улавливающие углерод из атмосферы при фотосинтезе, консументы — поглощающие углерод вместе с телами продуцентов и консументов низших порядков, редуценты — возвращающие углерод в круговорот. Скорость полного кругооборота С02 составляет около 300 лет. В Мировом океане часть углерода мертвых организмов, опускаясь на дно, переходит в осадочные породы и участвует уже не в биологическом, а в геологическом круговороте веществ. Главным резервуаром биологически связанного углерода являются леса, которые содержат его в количестве до 500 млрд т, что составляет 2/3 его объема в атмосфере. Вмешательство человека в круговорот углерода приводит к возрастанию содержания СО, в атмосфере.

Скорость круговорота кислорода — 2 тыс. лет, в течение которых весь объем кислорода атмосферы проходит через живое вещество. Основной поставщик кислорода на Земле — зеленые растения. Ежегодно они производят на суше 53 х 109 т 02, а в океанах—414 х 109 т. Главные потребители кислорода — животные, почвенные организмы и растения, использующие его в процессе дыхания. Процесс круговорота кислорода в биосфере весьма сложен, так как кислород содержится в очень многих химических соединениях. На промышленные и бытовые нужды ежегодно расходуется 23% кислорода, который высвобождается в процессе фотосинтеза. Предполагается, что в ближайшее время продуцированный кислород будет сгорать в топках, а следовательно, необходимо создавать условия для значительного усиления фотосинтеза растений на Земле и применять другие радикальные меры.

Биогеохимический круговорот азота также охватывает все области биосферы. Поглощение его растениями ограничено, так как они усваивают азот только в форме соединения его с водородом и кислородом. Следует иметь в виду, что запасы азота в атмосфере практически неисчерпаемы. Редуценты (деструкторы) — почвенные бактерии, постепенно разлагают белковые вещества отмерших организмов и превращают их в аммонийные соединения, нитраты и нитриты. Часть нитратов попадает в процессе круговорота в подземные воды и загрязняет их. Опасность заключается также и в том, что азот в виде нитратов и нитритов усваивается растениями и может передаваться по пищевым (трофическим) цепям. Азот возвращается в атмосферу вновь с выделенными при гниении газами.

Биогеохимические циклы фосфораисерызначительно менее совершенны, так как основная их масса содержится в резервном и практически недоступном фонде земной коры. Круговорот серы и фосфора — типичный осадочный биогеохимический цикл. Такие циклы легко нарушаются от различного рода воздействий, и часть обмениваемого материала выходит из круговорота.

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. Вымываясь из отмирающих морских животных, 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 извлекают растения из почв, далее он распространяется по трофической цепи и возвращается в почву после отмирания животных и растений с их останками. Повышенное содержание 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. В обменном фонде главная роль принадлежит микроорганизмам: одни из них — восстановители, другие — окислители. 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 она требуется организмам в небольших количествах, является ключевым в общем процессе производства продукции и ее разложения. Однако круговорот серы, так же как и азота, может быть нарушен вмешательством человека. Виной тому служит прежде всего сжигание ископаемого топлива, особенно угля. Диоксид серы (S02) нарушает процессы фотосинтеза и приводит к гибели растительности.

Биогеохимические циклы легко нарушаются человеком. Так, например, при добыче минеральных удобрений происходит загрязнение воды и воздушной среды. Попадая в воду, фосфор и азотистые высокотоксичные соединения вызывают эвтрофикацию. Иными словами, круговорот становится не циклическим, а ациклическим. Охрана природных ресурсов должна быть, в частности, направлена на то, чтобы ациклические биогеохимические процессы превратить в циклические.

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