Биологический и геологический круговороты веществ

В процессе дыхания все организмы  окисляют сложные органические вещества; конечный продукт этого процесса, СО₂, выводится во внешнюю среду, где вновь может вовлекаться в процесс фотосинтеза.

Углеродсодержащие органические соединения тканей живых организмов после их смерти подвергаются биологическому разложению организмами-редуцентами, в результате чего углерод в форме углекислоты вновь поступает в круговорот. Этот процесс составляет сущность так называемого почвенного дыхания [5, c. 84].

При определенных условиях в почве  разложение накапливающихся мертвых  остатков идет замедленным темпом –  через образование сапрофагами  гумуса, минерализация которого воздействием грибов и бактерий может идти с  различной, в том числе и с низкой, скоростью. В некоторых случаях цепь разложения органического вещества бывает неполной. В частности, деятельность сапрофагов может подавляться недостатком кислорода или повышенной кислотностью. В этом случае органические остатки накапливаются в виде торфа; углерод не высвобождается и круговорот приостанавливается. Аналогичные ситуации возникали и в прошлые геологические эпохи, о чем свидетельствуют отложения каменного угля и нефти.

В гидросфере приостановка круговорота  углерода связана с включением СО₂ в состав СаСО₃ в виде известняков, мела, кораллов. В этом случае углерод выключается из круговорота на целые геологические эпохи. Лишь поднятие органогенных пород над уровнем моря приводит к возобновлению круговорота через выщелачивание известняков атмосферными осадками. А также биогенным путем – действием лишайников, корней растений.

Главным резервуаром биологически связанного углерода являются леса, они  содержат до 500 млрд тонн этого элемента, что составляет 2/3 его запаса в  атмосфере. Вмешательство человека в круговорот углерода приводит в возрастанию содержания СО₂ в атмосфере и развитию парникового эффекта.

Скорость круговорота СО₂, т.е. время, за которое весь углекислый газ атмосферы проходит через живое вещество, составляет около 300 лет.

 

1.2.2. Круговорот азота

 

Главный источник азота органических соединений – молекулярный азот в  составе атмосферы. Переход его  в доступные живым организмам соединения может осуществляться разными  путями. Так, электрические разряды  при грозах синтезируют из азота и кислорода воздуха оксида азота, которые с дождевыми водами попадают в почву в форме селитры или азотной кислоты. Имеет место и фотохимическая фиксация азота [5, c. 87].

Более важной формой усвоения азота  является деятельность азот-фиксирующих микроорганизмов, синтезирующих сложные протеиды. Отмирая, они обогащают почву органическим азотом, который быстро минерализируются. Таким путем в почву ежегодно поступает около 25 кг азота на 1 га. (Приложение В, рисунок 6).

Наиболее эффективная фиксация азота осуществляется бактериями, формирующими симбиотические связи с бобовыми растениями. Образуемый ими органический азот диффундирует в ризосферу, а также включается в наземные органы растения-хозяина. Таким путем в наземных и подземных органах растений на 1 га накапливается за год 150-400 кг азота.

Существуют азотфиксирующие микроорганизмы, образующие симбиоз и другими  растениями. В водной среде и на очень влажной почве непосредственную фиксацию атмосферного азота осуществляют цианобактерии. Во всех этих случаях азот попадает в растения в форме нитратов. Эти соединения через корни и проводящие пути доставляются в листья, где используются для синтеза протеинов; последние служат основой для азотного питания животных.

Экскреты и мертвые организмы  составляют базу цепей питания организмов-сапрофагов, разлагающих органические соединения с постепенным превращением органических азотсодержащих веществ в неорганические. Конечным звеном этой редукционной цепи оказываются аммонифицирующие организмы, образующие аммиак, который затем может войти в цикл нитрификации. Таким образом цикл азота может быть продолжен.

В то же время происходит постоянное возвращение азота в атмосферу  действием бактерий-денитрификаторов, которые разлагают нитраты до N₂. Эти бактерии активны в почвах, богатых азотом и углеродом. Благодаря их деятельности ежегодно с 1 га почвы улетучиваются до 50-60 кг азота.

Азот может выключаться из круговорота  путем аккумуляции в глубоководных  осадках океана. В известной мере это компенсируется выделением молекулярного N₂ в составе вулканических газов.

 

1.2.3. Круговорот воды

 

Вода находится в постоянном движении. Испаряясь с поверхности  водоемов, почвы, растений, вода накапливается  в атмосфере и, рано или поздно, выпадает в виде осадков, пополняя запасы в океанах, реках, озерах и т.п. Таким образом, количество воды на Земле не изменяется, она только меняет свои формы - это и есть круговорот воды в природе. Из всех выпадающих осадков 80% попадает непосредственно в океан. Для нас же наибольший интерес представляют оставшиеся 20%, выпадающие на суше, так как большинство используемых человеком источников воды пополняется именно за счет этого вида осадков. Упрощенно говоря, у воды, выпавшей на суше, есть два пути. Либо она, собираясь в ручейки, речушки и реки, попадает в результате в озера и водохранилища - так называемые открытые (или поверхностные) источники водозабора. Либо вода, просачиваясь через почву и подпочвенные слои, пополняет запасы грунтовых вод. Поверхностные и грунтовые воды и составляют два основных источника водоснабжения. Оба этих водных ресурса взаимосвязаны и имеют как свои преимущества, так и недостатки в качестве источника питьевой воды.

Круговорот воды является одним  из грандиозных процессов на поверхности  земного шара. Он играет главную  роль в связывании геологического и биотического круговоротов. В биосфере 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 образуют малый круговорот. Если же водяной пар переносится воздушными течениями на сушу, круговорот становится значительно сложнее [5, c. 89].

В этом случае часть осадков испаряется и поступает обратно в атмосферу, другая - питает реки и водоемы, но в итоге вновь возвращается в океан речным и подземным стоком, завершая тем самым большой круговорот. Важное свойство круговорота воды заключается в том, что он, взаимодействуя с литосферой, атмосферой и живым веществом, связывает воедино все части гидросферы: океан, реки, почвенную влагу, подземные воды и атмосферную влагу. Вода - важнейший компонент всего живого. Грунтовые воды, проникая сквозь ткани растения в процессе транспирации, привносят минеральные соли, необходимые для жизнедеятельности самих растений (Приложение Г, рисунок 8).

Наиболее замедленной частью круговорота  воды является деятельность полярных ледников, что отражают медленное  движение и скорейшее таяние ледниковых масс. Наибольшей активностью обмена после атмосферной влаги отличаются речные воды, которые сменяются в среднем каждые 11 дней. Чрезвычайно быстрая возобновляемость основных источников пресных вод и опреснение вод в процессе круговорота являются отражением глобального процесса динамики вод на земном шаре.

 

1.2.4. Круговорот фосфора

 

Из всех макроэлементов (элементов, необходимых для всего живого в больших количествах) фосфор –  один из самых редких в доступных  резервуарах на поверхности Земли. В природе фосфор в больших  количествах содержится в ряде горных пород. В процессе разрушения этих пород он попадает в наземные экосистемы или выщелачивается осадками и в конце концов оказывается в гидросфере. В обоих случаях этот элемент вступает в пищевые цепи. В большинстве случаев организмы-редуценты минерализуют органические вещества, содержащие фосфор, в неорганические фосфаты, которые вновь могут быть использованы растениями и таким образом снова вовлекаются в куговорот (Приложение Б).

В океане часть фосфатов с отмершими  органическими остатками попадает в глубинные осадки и накапливается там, выключаясь из круговорота. Процесс естественного круговорота фосфора в современных условиях интенсифицируется применением в сельском хозяйстве фосфорных удобрений, источником которых служат залежи минеральных фосфатов. Это может быть поводом для тревоги, поскольку соли фосфора при таком использовании быстро выщелачиваются, а масштабы эксплуатации минеральных ресурсов все время растут. Составляя в настоящее время около 2 млн. тонн в год.

 

1.2.5. Круговорот серы 

 

Основной резерв фонд серы находится в отложении и почве, но в отличие от фосфора имеется резервный фонд и в атмосфере. Главная роль в вовлечение серы в биогеохимический круговорот принадлежит микроорганизмами. Одни из них восстановители, другие – окислители.

В горных породах  сера встречается в виде сульфидов, в растворах – в форме иона, в газообразной фазе в виде сероводорода или сернистого газа. В некоторых организмах сера накапливается в чистом виде (S) и при их отмирании на дне морей образуются залежи самородной серы.

По содержанию в морской среде сульфат-ион занимает второе место после хлора и является основной доступной формой серы, которая потребляется автотрофами и включается в состав белков [5, c. 91].

В наземных экосистемах  сера поступает в растения из почвы  в основном в виде сульфатов. В живых организмах сера содержится в белках, в виде ионов и т.д. После гибели живых организмов часть серы восстанавливается в почве микроорганизмами до HS, другая часть окисляется до сульфатов и вновь включается в круговорот. Образовавшийся сероводорода улетучивается в атмосферу, там окисляется и возвращается в почву с осадками (Приложение Г, рисунок 7).

Сжигание человеком  ископаемого топлива, а также  выбросы химической промышленности, приводит к накоплению в атмосфере  сернистого газа (SO), который реагируя с парами воды, выпадает на землю в виде кислотных дождей.

Биогеохимические  циклы в значительной степени  подвержены влиянию человека. Хозяйственная деятельность нарушает их замкнутость, они становятся ацикличными.

 

1.4. Стабильность биосферы

 

Напряженность жизни в биосфере выражается в росте и размножении организмов, которое происходит по закону геометрической прогрессии (при сравнении двух поколений число потомков превышает число предков).

Смена поколений за единицу времени  дает представление о скорости размножения. Наиболее высокая скорость размножения характерна для бактерий: в сутки у них сменяется до 60-65 поколений, т.е. каждое поколение образуется по истечение 20-24 мин. Медленнее всего размножаются крупные многоклеточные животные и растения. Зная скорость размножения организмов и их размеры, можно вычислить время заселения организмами всей поверхности Земли при отсутствии преград для их размножения. К таким преградам следует отнести следующие: неприемлемые термодинамические условия, недостаток источников питания, изменения внешней среды в результате деятельности самих организмов, борьба за существование как один из факторов эволюционного процесса [13, c. 79].

Без учета преград для размножения  время заселения Земли дрожжевыми клетками составляет несколько часов, некоторыми бактериями – 1,25-1,8 сут., отдельными видами насекомых – 203-392 сут., некоторыми цветковыми растениями – 11 лет, рыбами – 4-12 лет, птицами (курами) – 15-18 лет, млекопитающими: крысами – 8 лет, индийскими слонами – более 1000 лет.

В настоящее время описано около 2 млн видов организмов, из них  на долю растений приходится около 500 тыс. видов, а на долю животных – 1,5 млн видов. Полагают, что их в 5-10 раз больше, чем описано. Органический мир суши более разнообразен, чем органический мир водной среды. Масса живого вещества поверхности континентов в 800 раз превосходит биомассу Мирового океана. На поверхности континентов растения по массе резко преобладают над животными.

В Мировом океане наблюдается обратное соотношение. Свыше 90 % биомассы морей приходится на долю животных.

Каждый вид имеет определенную продолжительность жизни (10-30 млн лет). Отсюда следует, что из сотен миллионов видов, живших на Земле, 95% уже исчезли.

Биосфера представляет собой сложную  систему, все части которой взаимодействуют друг с другом, в результате возникает круговорот веществ. Эта система открытая и может существовать только в условиях притока энергии от Солнца. Биосфера является саморегулирующейся системой, способной компенсировать малые возмущения. Здесь выполняется принцип Ле Шателье-Брауна: при действии на систему сил, выводящих ее из состояния устойчивого равновесия, в ней возникает движение, при котором эффект этого воздействия ослабляется. Для устойчивости биосферы необходимо разнообразие ее частей. Некоторые крупные возмущения биосфера гасить не в силах, например, при:

• распаде экосистем, который приводит к опустыниванию;
• появлении неустойчивых систем типа агроценозов (сельского хозяйства) и городских комплексов, которые не могут существовать самостоятельно и поддерживаются деятельностью людей;
• росте концентрации двуокиси углерода СО₂ в атмосфере.

Наряду с биологическим круговоротом в биосфере протекает и круговорот воды, источником энергии для которого служит излучение Солнца. В этом круговороте активно участвуют и живые организмы. Особенно велика роль транспирирующих растений, на создание единицы продукции которых требуется в сотни раз больше транспирируемой влаги.

В пределах ландшафтов круговорот воды заключается в испарении ее с поверхности почвы, водоемов и растений, концентрировании облаков и выпадении осадков. В пределах всей планеты этот круговорот выражается в водообмене океаны-материки. Вода, испаряемая с поверхности океана, переносится ветрами на материки, выпадает над ними и с речным и подземным стоком вновь возвращается в океан. Круговорот воды – главный агент механической работы в биосфере, тогда как биологический круговорот обусловлен в основном химическими процессами, которые со провождаются превращением химической энергии. Перемещение воды осуществляет в биосфере процессы эрозии, транспорта, перераспределения, осаждения и накопления механических и химических осадков на суше и в океане.