Функционирование экосистем

4.4. Круговорот элементов в экосистеме

Откуда  изначально берутся в живом веществе необходимые для построения организма  компоненты? Их поставляют в пищевую  цепь все те же продуценты. Неорганические минеральные вещества и воду они извлекают из почвы, CO2 - из воздуха, и из образованной в процессе фотосинтеза глюкозы с помощью биогенов строят далее сложные органические молекулы - углеводы, белки, липиды, нуклеиновые кислоты, витамины и т.п.

Чтобы необходимые  элементы были доступны живым организмам, они все время должны быть в  наличии.

Связаны и  четко взаимодействуют друг с  другом продуценты, консументы, детритофаги и редуценты: органика и кислород, образуемые растениями, это то, что нужно консументам для питания и дыхания, а выделяемые консументами CO2 и минеральные вещества - как раз те биогены, которые необходимы продуцентам.

В этой взаимосвязи  реализуется закон сохранения вещества. Его удобно сформулировать следующим  образом: атомы в химических реакциях никогда не исчезают, не образуются и не превращаются друг в друга; они только перегруппировываются с образованием различных молекул и соединений (одновременно происходит поглощение или выделение энергии). В силу этого атомы могут использоваться в самых различных соединениях и запас их никогда не истощается. Именно это происходит в естественных экосистемах в виде круговоротов элементов. При этом выделяют два круговорота: большой (геологический) и малый (биотический).

Большой круговорот измеряется масштабами геологического времени и длится сотни тысяч  или миллионы лет. Он заключается  в том, что происходит постоянное превращение материковой коры в  океаническую и наоборот. Продукты разрушения и выветривания горных пород переносятся водами в Мировой океан. Здесь они образуют морские напластования. Медленные геотектонические изменения, процессы опускания материков и поднятия морского дна, перемещение морей и океанов в течение длительного времени приводят к тому, что эти напластования возвращаются на сушу и процесс начинается вновь.

На фоне этого глобального круговорота  вещества в биосфере непрерывно происходят малые биотические круговороты. Малый круговорот заключается в  том, что углекислый газ, вода и питательные  вещества почвы аккумулируются растениями и расходуются на построение тела и жизненные процессы как самих продуцентов, так и организмов-консументов. Продукты распада органического вещества вновь разлагаются детритофагами и редуцентами до минеральных компонентов, доступных растениям и вовлекаемых ими в поток вещества. Круговорот химических веществ из неорганической среды через растительные и животные организмы снова в неорганическую среду с использованием энергии Солнца и энергии химических реакций носит название биогеохимического цикла.

Наиболее  значимыми для функционирования биосферы являются круговороты основных элементов, входящих в состав живого вещества: углерода, кислорода, азота, фосфора и серы, поскольку они  являются компонентами для построения основных молекул живого вещества - углеводов, липидов, белков и нуклеиновых  кислот. Эти круговороты создаются  живым веществом и одновременно поддерживают жизнедеятельность самих  живых организмов.

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. 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.

Рассмотрим  далее круговорот основных биогенов.

Углерод. Углерод в биосфере часто представлен наиболее подвижной формой - углекислым газом. Источником первичной углекислоты биосферы является вулканическая деятельность, связанная с вековой дегазацией мантии и нижних горизонтов земной коры.

Миграция  углекислого газа в биосфере Земли  протекает двумя путями. Первый путь заключается в поглощении его  в процессе фотосинтеза с образованием органических веществ и в последующем  захоронении их в литосфере в  виде торфа, угля, горных сланцев, рассеянной органики, осадочных горных пород. 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.

Кислород. 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. 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.

Азот. Основная часть атомов азота находится в воздухе, который на 78 % процентов состоит из одноименного газа (N2). Однако растения не могут усваивать его непосредственно; для этого азот должен входить в состав ионов аммония (NH4+) или нитрата (NH3-). К счастью, некоторые бактерии и ряд сине-зеленых водорослей (цианобактерий) способны превращать газообразный азот (N2) в аммонийную форму в ходе так называемой азотфиксации. Далее некоторые бактерии могут переводить ее в нитратную форму (NH3-). Важно то, что обе эти формы могут усваиваться любыми растениями. В результате азот совершает круговорот как минеральный биоген.

Фосфор. Этот элемент 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.Попадая в водоемы, фосфор насыщает, а иногда и перенасыщает экосистемы. Обратного пути, по сути дела, нет.

Сера. 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 связи с окислением сульфидных минералов в процессе выветривания сера в виде сульфатиона переносится природными водами в Мировой океан, где SO42- занимает второе место по распространению после Cl-. Сера поглощается морскими организмами, которые богаче ее неорганическими соединениями, чем пресноводные и наземные.

Отметим одну важную особенность малых круговоротов. Применительно к ним понятие  круговорота достаточно условно, поскольку  природные круговороты не являются замкнутыми. Не все образуемое при  разложении органики неорганическое вещество снова используется живыми организмами. Неиспользуемая его часть образует, в частности, осадочные породы как в океане, так и на суше, включаясь в большой геологический круговорот.

Обобщая законы функционирования экосистем, сформулируем еще раз основные их положения:

1) природные экосистемы существуют  за счет не загрязняющей среду  даровой солнечной энергии, количество  которой избыточно и относительно  постоянно;

2) перенос энергии и вещества  через сообщество живых организмов  в экосистеме происходит по  пищевой цепи; все виды живого  в экосистеме делятся по выполняемым  ими функциям в этой цепи  на продуцентов, консументов, детритофагов и редуцентов - это биотическая структура сообщества; количественное соотношение численности живых организмов между трофическими уровнями отражает трофическую структуру сообщества, которая определяет скорость прохождения энергии и вещества через сообщество, то есть продуктивность экосистемы;

3) природные экосистемы благодаря  своей биотической структуре  неопределенно долго поддерживают  устойчивое состояние, не страдая  от истощения ресурсов и загрязнения  собственными отходами; получение  ресурсов и избавление от отходов  происходят в рамках круговорота  всех элементов.