Биотический круговорот

По второму пути миграция углерода осуществляется созданием  карбонатной системы в различных  водоемах, где CO2 переходит в H2CO3, HCO31-, CO32-. Затем с помощью растворенного  в воде кальция (реже магния) происходит осаждение карбонатов CaCO3 биогенным  и абиогенным путями. Возникают мощные толщи известняков. Наряду с этим большим круговоротом углерода существует еще ряд малых его круговоротов на поверхности суши и в океане.

В пределах суши, где  имеется растительность, углекислый газ атмосферы поглощается в  процессе фотосинтеза в дневное  время. В ночное время часть его  выделяется растениями во внешнюю среду. С гибелью растений и животных на поверхности происходит окисление  органических веществ с образованием CO2. Особое место в современном  круговороте веществ занимает массовое сжигание органических веществ и  постепенное возрастание содержания углекислого газа в атмосфере, связанное  с ростом промышленного производства и транспорта.

Круговорот  кислорода. Кислород - наиболее активный газ. В пределах биосферы происходит быстрый обмен кислорода среды с живыми организмами или их остатками после гибели.

В составе земной атмосферы кислород занимает второе место после азота. Господствующей формой нахождения кислорода в атмосфере  является молекула О2. Круговорот кислорода в биосфере весьма сложен, поскольку он вступает во множество химических соединений минерального и органического миров.

Свободный кислород современной земной атмосферы является побочным продуктом процесса фотосинтеза  зеленых растений и его общее  количество отражает баланс между продуцированием  кислорода и процессами окисления  и гниения различных веществ. В истории биосферы Земли наступило  такое время, когда количество свободного кислорода достигло определенного  уровня и оказалось сбалансированным таким образом, что количество выделяемого  кислорода стало равным количеству поглощаемого кислорода.

Круговорот  азота. При гниении органических веществ значительная часть содержащегося в них азота превращается в аммиак, который под влиянием живущих в почве   трифицирующих бактерий окисляется затем в азотную кислоту. Последняя, вступая в реакцию с находящимися в почве карбонатами, например с карбонатом кальция СаСОз, образует нитраты:

2HN0з + СаСОз = Са(NОз)2 + СОС + Н0Н

Некоторая же часть  азота всегда выделяется при гниении  в свободном виде в атмосферу. Свободный азот выделяется также  при горении органических веществ, при сжигании дров, каменного угля, торфа. Кроме того, существуют бактерии, которые при .недостаточном доступе воздуха могут отнимать кислород от нитратов, разрушая их с выделением свободного азота. Деятельность этих де ни трифицирующих бактерий приводит к тому, что часть азота из доступной для зеленых растений формы (нитраты) переходит в недоступную (свободный азот).

Таким образом, далеко не весь азот, входивший в состав погибших растений, возвращается обратно  в почву; часть его постепенно выделяется в свободном виде.

Непрерывная убыль  минеральных азотных соединений давно должна была бы привести к  полному прекращению жизни на Земле, если бы в природе не существовали процессы, возмещающие потери азота. К таким процессам относятся, прежде всего происходящие в атмосфере электрические разряды, при которых всегда образуется некоторое количество оксидов азота; последние с водой дают азотную кислоту, превращающуюся в почве в нитраты. Другим источником пополнения азотных соединений почвы является жизнедеятельность так называемых азотобактерий, способных усваивать атмосферный азот. Некоторые из этих бактерий поселяются на корнях растений из семейства бобовых, вызывая образование характерных вздутий — «клубеньков», почему они и получили название клубеньковых бактерий. Усваивая атмосферный азот, клубеньковые бактерии перерабатывают его в азотные соединения, а растения, в свою очередь, превращают последние в белки и другие сложные вещества.

Таким образом, в  природе совершается непрерывный  круговорот азота. Однако ежегодно с  урожаем с полей убираются  наиболее богатые белками части  растений, например зерно.

Поэтому в почву  необходимо вносить удобрения, возмещающие  убыль в ней важнейших элементов  питания растений. 

Круговорот  фосфора. Фосфор  входит в состав генов и молекул, переносящих энергию внутрь клеток. В различных минералах фосфор содержится в виде неорганического фосфатиона (PO43-). Фосфаты растворимы в воде, но не летучи. Растения поглощают PO43- из водного раствора и включают фосфор в состав различных органических соединений, где он выступает в форме так называемого органического фосфата. По пищевым цепям фосфор переходит от растений ко всем прочим организмам экосистемы. При каждом переходе велика вероятность окисления содержащего фосфор соединения в процессе клеточного дыхания для получения организмом энергии.

Когда это происходит, фосфат в составе мочи или ее аналога  вновь поступает в окружающую среду, после чего снова может  поглощаться растениями и начинать новый цикл.

В отличие, например, от углекислого газа, который, где  бы он ни выделялся в атмосферу, свободно переносится в ней воздушными потоками пока снова не усвоится растениями, у фосфора нет газовой фазы и, следовательно, нет "свободного возврата" в атмосферу. Попадая в водоемы, фосфор насыщает, а иногда и перенасыщает экосистемы. Обратного пути, по сути дела, нет. Что-то может вернуться на сушу с помощью рыбоядных птиц, но это очень небольшая часть общего количества, оказывающаяся к тому же вблизи побережья. Океанические отложения фосфата со временем поднимаются над поверхностью воды в результате геологических процессов, но это происходит в течение миллионов лет.

Следовательно, фосфат и другие минеральные биогены почвы циркулируют в экосистеме лишь в том случае, если содержащие их "отходы" жизнедеятельности откладываются в местах поглощения данного элемента. В естественных экосистемах так в основном и происходит. Когда же в их функционирование вмешивается человек, он нарушает естественный круговорот, перевозя, например, урожай вместе с накопленными из почвы биогенами на большие расстояния к потребителям.

Круговорот  серы. Сера является важным составным элементом живого вещества. Большая часть ее в живых организмах находится в виде органических соединений. Кроме того, сера входит в состав некоторых биологически активных веществ: витаминов, а также ряда веществ, выступающих в качестве катализаторов окислительно-восстановительных процессов в организме и активизирующих некоторые ферменты.

Сера представляет собой исключительно активный химический элемент биосферы и мигрирует  в разных валентных состояниях в  зависимости от окислительно-восстановительных  условий среды. Среднее содержание серы в земной коре оценивается в 0,047 %. В природе этот элемент образует свыше 420 минералов.

В изверженных породах  сера находится преимущественно  в виде сульфидных минералов: пирита , пирронита , халькопирита , в осадочных породах содержится в глинах в виде гипсов, в ископаемых углях - в виде примесей серного колчедана и реже в виде сульфатов. Сера в почве находится преимущественно в форме сульфатов; в нефти встречаются ее органические соединения.

В связи с окислением сульфидных минералов в процессе выветривания сера в виде сульфатиона переносится природными водами в Мировой океан.  Сера поглощается морскими организмами, которые богаче ее неорганическими соединениями, чем пресноводные и наземные. 

Вывод. Из приведённых примеров видно, какую значительную роль в эволюции неживой природы играют живые организмы. Их деятельность существенно влияет на формирование состава атмосферы и земной коры. Большой вклад в понимание взаимосвязей между живой и неживой природой внёс выдающийся советский учёный В. И. Вернадский. Он выявил геологическую роль живых организмов и показал, что их деятельность представляет собой важнейший фактор преобразования минеральных оболочек планеты.

Таким образом, живые  организмы, испытывая на себе влияние  факторов неживой природы, своей  деятельностью изменяют условия  окружающей среды, т.е. среды своего обитания. Это приводит к изменению  структуры всего сообщества биоценоза.

Установлено, что  азот, фосфор и калий могут оказывать  наибольшее положительное влияние  на урожаи культурных растений, и потому эти три элемента в наибольших количествах вносят в почву с  удобрениями, применяемыми в сельском хозяйстве. Поэтому азот и фосфор оказались главной причиной ускоренной эвтрофизации озёр в странах с интенсивным земледелием. Эвтрофизация это процесс обогащения водоёмов питательными веществами. Она представляет собой естественное явление в озёрах, так как реки приносят питательные вещества с окружающих дренажных площадей. Однако этот процесс обычно идёт очень медленно, в течение тысяч лет.

Неестественная эвтрофизация, ведущая к стремительному увеличению продуктивности озёр, происходит в результате стока с сельскохозяйственных угодий, которые могут быть обогащены питательными веществами удобрений.

Существуют также  два других важных источника фосфора  сточные воды и моющие средства. Сточные воды, как в своём первоначальном виде, так и обработанные, обогащены  фосфатами. Бытовые детергенты содержат от 15% до 60% биологически разрушаемого фосфата. Кратко можно резюмировать, что эвтрофизация в конце концов приводит к истощению ресурсов кислорода и к гибели большинства живых организмов в озёрах, а в крайних ситуациях и в реках.

Организмы в экосистеме связаны общностью энергии и  питательных веществ, и необходимо чётко разграничить эти два понятия. Всю экосистему можно уподобить  единому механизму, потребляющему  энергию и питательные вещества для совершения работы. Питательные  вещества первоначально происходят из абиотического компонента системы, в который в конце концов и возвращаются либо в качестве отходов жизнедеятельности, либо после гибели и разрушения организмов. Таким образом, в экосистеме происходит постоянный круговорот питательных веществ, в котором участвуют и живой и неживой компоненты. Такие круговороты называются биогеохимическими циклами.

На глубине в  десятки километров горные породы и  минералы подвергаются воздействию  высоких давлений и температур. В  результате происходит метаморфизм (изменение) их структуры, минерального, а иногда и химического состава, что приводит к образованию метаморфических  пород.

Опускаясь ещё дальше в глубь Земли, метаморфические породы могут расплавиться и образовать магму. Внутренняя энергия Земли (т.е. эндогенные силы) поднимает магму к поверхности. С расплавленными горными породами, т.е. магмой, химические элементы выносятся на поверхность Земли во время извержений вулканов, застывают в толще земной коры в виде интрузий. Процессы горообразования поднимают глубинные горные породы и минералы на поверхность Земли. Здесь горные породы подвергаются воздействию солнца, воды, животных и растений, т.е. разрушаются, переносятся и отлагаются в виде осадков в новом месте. В результате образуются осадочные горные породы. Они накапливаются в подвижных зонах земной коры и при пригибании снова опускаются на большие глубины (свыше 10 км) .

Вновь начинаются процессы метаморфизма, переправления, кристаллизации, и химические элементы возвращаются на поверхность Земли. Такой "маршрут" химических элементов называется большим  геологическим круговоротом. Геологический  круговорот не замкнут, т.к. часть химических элементов выходит из круговорота: уносится в космос, закрепляется прочными связями на земной поверхности, а  часть поступает извне, из космоса, с метеоритами.

Геологический круговорот это глобальное путешествие химических элементов внутри планеты. Более  короткие путешествия они совершают  на Земле в пределах отдельных  её участков. Главный инициатор живое  вещество. Организмы интенсивно поглощают  химические элементы из почвы, воздуха  воды. Но одновременно и возвращают их. Химические элементы вымываются из растений дождевыми водами, выделяются в атмосферу при дыхании и  отлагаются в почве после смерти организмов. Возвращённые химические элементы снова и снова вовлекаются  живым веществом в "путешествия". Всё вместе и составляет биологический, или малый, круговорот химических элементов. Он тоже не замкнут.

Часть элементов-"путешественников" уносится за его пределы с поверхностными и грунтовыми водами, часть на разное время "выключается" из круговорота  и задерживается в деревьях, почве, торфе.

Ещё один маршрут  химических элементов проходит сверху вниз от вершин и водоразделов к  долинам и руслам рек, впадинам, западинам.

На водоразделы  химические элементы поступают только с атмосферными осадками, а выносятся  вниз и с водою, и под действием  силы тяжести. Расход вещества преобладает  над поступлением, о чём говорит  само название ландшафтов водоразделов элювиальные.

На склонах жизнь  химических элементов изменяется. Скорость их передвижения резко увеличивается, и они "проезжают" склоны, как  пассажиры, удобно устроившиеся в купе поезда. Ландшафты склонов так и называются транзитными.

"Отдохнуть"  от дороги химическим элементам  удаётся лишь в аккумулятивных (накапливающих) ландшафтах, расположенных  в понижениях рельефа. В этих  местах они часто и остаются, создавая для растительности  хорошие условия питания. В  некоторых случаях растительности  приходится бороться уже с  избытком химических элементов. 

Уже много лет  назад в распределение химических элементов вмешался человек. С начала ХХ столетия деятельность человека стала  главным способом их путешествия. При  добыче полезных ископаемых огромное количество веществ изымается из земной коры. Их промышленная переработка  сопровождается выбросами химических элементов с отходами производства в атмосферу, воды, почвы. Это загрязняет среду обитания живых организмов. На земле появляются новые участки  с высокой концентрацией химических элементов рукотворные геохимические  аномалии. Они распространены вокруг рудников цветных металлов (меди, свинца) . Эти участки иногда напоминают лунные пейзажи, потому что практически лишены жизни из-за высоких содержании вредных элементов в почвах и водах. Остановить научно-технический прогресс невозможно, но человек должен помнить, что существует порог в загрязнении природной среды, переходить который нельзя, за которым неизбежны болезни людей и даже вымирание цивилизации.