Круговорот вещества в биосфере: природа и человек

Тема 32. Круговорот вещества в биосфере: природа и человек  
 
СОДЕРЖАНИЕ  
 
1. Введение. Движение веществ - постоянныи процесс  
2. Круговорот воды  
3. Фотосинтез и разложение  
4. Биохимические функции живого организма  
5. Заключение. Проект «биосфера-II»  
6. Список литературы  
 
ВВЕДЕНИЕ. ДВИЖЕНИЕ ВЕЩЕСТВА - ПОСТОЯННЫЙ ПРОЦЕСС  
 
В биосфере Земли происходит постоянный процесс движения и перераспределения вещества. В ней осуществляется массовый перенос твердых, жидких и газообразных тел при разл ичных температурах и давлениях. В ходе различных химических и физических процессов осуществляются так называемые круговороты вещества, различные как по протяженности во времени, так и по степени охвата оболочек земного шара и прилегающей к нему атмосферы (2).  
Наиболее длительным и всеобъемлющим является глобальный круговорот вещества, подчиняющийся схеме: магматическая порода - осадочная порода - метаморфическая порода - переплавление и новое образование магмы. Различные участки земной коры на поверхности планеты по существу представляют собой звенья этого небольшого круговорота (2, 3).  
Следующим в иерархии круговоротов является большой круговорот вещества в пределах верхних горизонтов земного шара, возникающий под влиянием действия солнечной энергии и природной энергии распада радиоактивных веществ. Наиболее интенсивному и быстрому круговороту подвергаются легкоподвижные вещества - газы и природные воды, составляющие атмосферу континентов, которые путем выветривания и денудации удаляются с поверхности суши за 80-100 лет, и можно сказать, что величина объема современной суши является отражением относительного равновесия между ее образованием путем поднятий и разрушением путем сноса (главным образом под действием круговорота воды). Существенная часть круговорота вещества литосферы осуществляется в биосфере Земли (6).  
Под активным влиянием живого существа в биосфере осуществляется образование всех осадочных пород, так что можно считать, что вся стратосфера - осадочная оболочка Земли - есть функция биосферы в широком смысле слова. А поскольку значительная часть метаморфических горных пород формируется за счет пород осадочных, а в обстановке ультраметаморфизма рождаются граниты, то можно считать, что гранитно-осадочная оболочка земного шара отражает процессы в биосфере, что впервые было отмечено В. И. Вернадским и поэтически описано им фразой: « Гранитные оболочки планеты есть область былых биосфер»(2).*  
* Войткевич Г. В., Вронский В. Л. «Основы учения о биосфере». М.: «Просвещение», 1989. с. 67.  
 
КРУГОВОРОТ ВОДЫ  
 
Одним из грандиозных процессов земного шара является круговорот воды. В биосфере вода, переходя из одного состояния в другое, совершает малый и большой круговороты. Испарение воды с поверхности океана, компенсация водяного пара в атмосфере и выпадение осадков на поверхность океана образуют малый круговорот. Когда водяной пар переносится воздушными течениями на сушу, круговорот становится значительно сложнее. Часть осадков испаряется и поступает обратно в атмосферу, а другая питает реки и водоемы, но в итоге вновь возвращается в океаны речным и подземным стоком, завершая тем самым большой круговорот.  
Важное свойство круговорота воды заключается в том, что, взаимодействуя с литосферой, атмосферой и живым веществом, он связывает воедино все части гидросферы - океан, реки, почвенную влагу, подземные воды и атмосферную влагу. Вода - важнейший компонент всего живого. В жизнедеятельности растений значительная роль принадлежит транспирации, которая относится к биологическому звену круговорота воды. Например, подсчитано, что в Швеции 1 га елового леса на влажной почве за год транспортирует около 4 0000 куб.  м воды, что эквивалентно 378 мм осадков. Грунтовые воды, проникая сквозь ткани растений в процессе транспирации, привносят минеральные соли, необходимые для жизнедеятельности самих растений. Вода также участвует в процессе фотосинтеза (4; 5; 6).  
 
ФОТОСИНТЕЗ И РАЗЛОЖЕНИЕ  
 
Фотосинтез - это мощный естественный процесс, ежегодно вовлекающий в круговорот огромные массы вещества биосферы и определяющий ее высокий кислородный потенциал. Этот процесс выступает и как фактор, определяющий наличие свободной энергии верхних оболочек земного шара. За немногим исключением, фотосинтез происходит на всей поверхности Земли и создает огромный геохимический эффект, который может быть выражен как количество всей массы углерода, ежегодно вовлекаемой в построение органического - живого вещества всей биосферы. Обратимся к цифрам. Результаты последних исследований гласят, что 480 млрд т веществ ежегодно потребляется в процессе фотосинтеза зеленых растений, 248 млрд т свободного кислорода уходит в атмосферу, создается 238 млрд т живого вещества (4).  
Если учесть, что биосфера существует на Земле не менее 3,5 млрд лет, то можно сказать, что воды Мирового океана прошли через биогенный цикл, связанный с фотосинтезом, не менее трехсот раз, и свободный кислород атмосферы обновлялся не менее миллиона раз. Эти величины выражают огромную напряженность фотосинтеза в истории Земли.  
При гибели организма происходит обратный процесс - разложение органического вещества путем окисления, гниения и т. д. с образованием конечных продуктов разложения. Соразмерность процесса фотосинтеза и процесса разложения органического вещества в биосфере Земли приводит к тому, что возникает тенденция к определенному постоянству. Одним из звеньев, поддерживающих планетарное равновесие между продукцией живого вещества и его разложением, является напряженность жизни, выражающаяся в росте и размножении организмов. Размножение организмов вследствие их роста приводит к увеличению биомассы и возрастанию обмена веществ путем питания, дыхания и выделений экскрементов. В этом процессе участвуют многие химические элементы, поэтому очевидно, что скорость роста и размножения организмов связана с круговоротом химических элементов в биосфере.  
Во все время существования биосферы энергия Солнца превращалась в биохимическую энергию размножения живого вещества. Поглощенная энергия при этом делилась на два компонента: компонент роста, приводящий к определенной массе данного вида организма, и компонент размножения, определяющий увеличение числа организмов данного вида (3).  
 
БИОХИМИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ ЖИВОГО ВЕЩЕСТВА  
 
С позиций современного уровня развития естественных наук, биогеохимическая роль живого вещества находится в полном соответствии с представлениями В. И. Вернадского, который выделял пять биохимических функций живого вещества (2):  
1. Газовая функция. Большинство газов верхних горизонтов планеты порождено жизнью. Подземные горючие газы - продукты размножения органических веществ растительного происхождения, ранее захороненных в осадочных толщах. Кислород - продукт фотосинтеза зеленых растений.  
2. Концентрационная функция. Организмы накапливают в своих телах многие химические элементы. На первом месте, естественно, стоит углерод. В углях содержание углерода по степени концентрации в тысячи раз больше, чем в среднем для земной коры. Нефти, имеющие биогенное происхождение, - концентраторы углерода и водорода. В отношении концентрации металлов первое место занимает кальций - целые горные хребты сложены остатками животных с известковым скелетом. Концентраторами кремния являются диатомовые водоросли, радиолярии и некоторые губки, йода - водоросли ламинарии, железа и марганца - некоторые бактерии. Фосфор накапливается позвоночными животными, сосредоточиваясь в костях.  
3. Окислительно-восстановительная функция. Она играет важную роль в круговороте многих химических элементов с переменной валентностью. Так, в процессе своей жизнедеятельности и после своей гибели организмы, обитающие в разных водоемах, регулируют кислородный режим, тем самым создавая условия для растворения или же осаждения таких металлов с переменной валентностью, как ванадий, марганец, железо.  
4. Биохимическая функция. Эта функция связана с ростом, размножением и перемещением живых организмов в пространство. Размножение приводит к быстрому распространению живых организмов, «расползанию» живого вещества в разные географические области.  
5. Биохимическая деятельность человечества, охватывающая все возрастающее количество земной коры для нужд промышленности, транспорта, сельского хозяйства.  
Таким образом, все живое население нашей планеты - живое вещество - находится в состоянии крайней напряженности, которая реально выражается в круговороте всех биофильных химических элементов. На этом и базируется первый, основной принцип функционирования экосистем: получение ресурсов и избавление от отходов происходит в рамках круговорота всех элементов. Этот принцип совершеннейшим образом гармонирует с законом сохранения массы - одним из базовых положений современной физики. Поскольку атомы не исчезают, не возникают и в стационарных условиях не превращаются один в другой, они могут использоваться бесконечно в самых различных соединениях, и запас их никогда не истощится, что и происходит в естественных экосистемах. Рассмотрим такой круговорот на примере трех главных биофильных элементов - углерода, фосфора, азота (5; 6).  
- Круговорот углерода  
В составе молекул углекислого газа углерод содержится в воздухе и воде. В ходе фотосинтеза атомы углерода этого соединения включаются в состав глюкозы и других органических соединений, из которых построены все растительные ткани. Далее они переносятся по пищевым цепям и образуют ткани всех остальных живых существ экосистемы. При переходе с одного трофического уровня на другой часть содержащих атомы углерода молекул расщепляется в процессе клеточного дыхания для получения энергии. При этом атомы углерода вновь поступают в окружающую среду в составе углекислого газа, равно как и при сжигании органики или аэробном либо анаэробном распаде мертвого органического вещества животного и растительного происхождения.  
- Круговорот фосфора  
В различных минералах фосфор содержится в виде неорганического фосфат-иона, который растворим в воде, но не летуч. Растения поглощают фосфат-ион из водного раствора и включают в процесс органического синтеза, приводящий к образованию органического фосфата. По пищевым цепям органический фосфат переходит ко всем другим организмам экосистемы. На каждом трофическом уровне велика вероятность окисления содержащей атом фосфора молекулы в процессе клеточного дыхания, обеспечивающего организм энергией, как это наблюдалось в цикле углерода. В случае включения фосфоросодержащей молекулы в процессы клеточного дыхания неорганический фосфат в составе мочи или ее аналога возвращается в окружающую среду.  
В отличие от круговорота углерода, в круговороте фосфора нет «газовой фазы», следовательно нет и «свободного возврата» в экосистему. Попадая в водоемы, фосфат насыщает, а часто и перенасыщает их экосистемы, незначительный возврат происходит только в связи с наличием в ряде пищевых цепей рыбоядных наземных животных и рыбоядных птиц, но это незначительная часть общего количества, причем локализующаяся вблизи побережья. Иногда океанические отношения фосфата с течением времени поднимаются над поверхностью воды в результате геологических процессов, но это длительный процесс, растягивающийся на миллионы лет. Следовательно, фосфат и другие минеральные биогены почвы циркулируют в экосистеме лишь в том случае, когда содержащие их минеральные комплексы, продукты жизнедеятельности организмов и мертвое органическое вещество откладываются в местах поглощения данного элемента.  
- Круговорот азота  
Круговорот азота сложнее, чем круговороты углерода и фосфора, поскольку включает и газовую, и минеральную фазы. Основная часть атомов азота находится в воздухе, который на 78 % состоит из одноименного газа. Но растения не могут усваивать газообразный азот непосредственно из воздуха, для включения в органический синтез азот должен входить в состав ионов аммония или нитрата. Азот воздуха был бы потерян для биогеохимического круговорота, если бы на Земле не существовало организмов, способных превращать газоообразный азот в аммонийную форму в ходе азот офиксации (нитрификсации).  
Важнейшую роль среди азотофиксирующих организмов играют бактерии рода Rhizobium, живущие в клубеньках на корнях бобовых растений (так называемые клубеньковые бактерии), и ряд сине-зеленых водорослей (цианобактерии). Клубеньковые бактерии являют собой один из ярких примеров мутуализма - тесной взаимосвязи двух организмов, выгодной для обоих. Растения обеспечивают бактерий местом обитания и питательными веществами (сахарами), получая от них взамен доступную форму азота. По пищевым цепям входящий в состав органических молекул азот передается от бобовых другим организмам экосистемы. Когда в процессе клеточного дыхания содержащие азот органические вещества расщепляются, азот выделяется в окружающую среду главным образом в аммонийной форме.  
Некоторые бактерии в процессе нитрификации могут переводить аммонийную форму в нитратную, но и нитратные, и аммонийные формы в равной степени могут усваиваться любыми растениями, в результате чего азот совершает круговорот как минеральный биоген. Однако такая минерализация азота обратима, поскольку другие почвенные бактерии в процессе денитрификации постепенно превращают нитраты снова в газообразный азот. Следует отметить, что часть газообразного азота окисляется в воздухе во время грозовых разрядов и поступает в почву с дождевой водой, но таким способом фиксируется в десять раз меньше азота, чем в ходе бактериальной нитрификации.  
 
БИОГЕОХИМИЧЕСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ ЧЕЛОВЕЧЕСТВА  
 
Обязательно следует отметить, что описанные выше биогеохимические круговороты рассмотрены только с позиций первых четырех биогеохимических функций живого вещества, формируемых В. И. Вернадским, т. е. газовой, концентрационной, окислительно-восстановительной и биохимической функций. Однако пятая биогеохимическая функция живого вещества - биогеохимическая деятельность человечества - занимает особое место в истории земного шара и привносит особые, не присущие ранее черты в круговороты веществ и химических элементов, в том числе в круговорот углерода, фосфора, азота (1; 3; 6).  
Наиболее важной и интересной особенностью круговорота углерода, существующей в условиях активной антропогенной деятельности, является возврат в круговорот атомов углерода, «выпавших» из него в более ранние геологические периоды. До достижения баланса между образованием органического вещества и его распада значительная часть фотосинтезируемого органического вещества не использовалась ни консументами, ни редуцентами, а накапливалась в виде детрита и постепенно погребалась под различными минеральными осадками. Находясь в земле миллионы лет, этот детрит под действием высоких температуры и давления превращался в нефть, природный газ, уголь, причем конечный продукт напрямую зависел от исходного материала, продолжительности и условий пребывания в земле.  
В настоящее время человек в огромных количествах добывает это ископаемое топливо для обеспечения энергетических потребностей современного уровня индустриализации общества. Сжигая это топливо, человек в определенной мере завершает, а следовательно, и начинает новый цикл круговорота углерода. Таким образом, на круговорот углерода человек влияет путем увеличения содержания в биосфере доступного для биогеохимического круговорота углерода (1; 3).  
Влияние на круговорот фосфора характеризуется наличием нескольких различных механизмов.  
Во-первых, условно выделяемой экосистеме человека, в отличие от естественных природных экосистем, присуща более значительная миграция биогенов: урожай вместе с извлеченными из почвы биогенами перевозится к потребителям на большое расстояние. Тем самым содержание фосфора в агроэкосистемах на момент сбора урожая резко снижается.  
Во-вторых, фосфор, содержащийся в отходах жизнедеятельности человека, полностью исключается из круговорота почвенных экосистем и дополнительно перенасыщает водные экосистемы, т. к. именно там заканчивается в типичном случае локализация.  
В-третьих, фосфор, связанный в костях человека, возвращается в естественные экосистемы крайне редко, т. к. и при захоронении тел на кладбищах, и при кремации вовлечение фосфора в биогеохимический круговорот минимально, поскольку наблюдается разобщение мест, где концентрация фосфора велика, и мест поглощения данного элемента.  
Следовательно, на первый взгляд кажется, что влияние человека на круговорот фосфора выражается в снижении его количества, доступного для биогеохимического круговорота, но это не совсем верно, поскольку человек в ходе агротехнической деятельности вносит в почву химически синтезированные фосфорсодержащие удобрения. Однако вследствие невозможности точно установить степень антропогенного снижения количества фосфора, доступного для биогеохимического круговорота, а также вероятности заведомо избыточного внесения фосфорсодержащих удобрений, невозможно соблюдение не только географического, но и количественного баланса. Как видим, влияние человека на круговорот фосфора проявляется в основном в возникновении биогеографического и количественного дисбаланса, доступного для биогеохимического круговорота фосфора (5).  
Для анализа антропогенного влияния на круговорот азота необходимо вспомнить, что все естественные экосистемы зависят от азотфиксирующих организмов, поэтому крайне важна роль симбиотических бактерий бобовых растений. Это семейство очень многочисленно, и в каждой естественной наземной экосистеме есть характерные для нее виды бобовых. Бобовые первые заселяют горы, без них реколонизация идет значительно медленнее из-за недостатка в почве доступного азота. Но такая закономерность наблюдается только в природных экосистемах, в то время как антропогенным агроэкосистемам она не свойственна.  
Агрокультуры в основном являются монокультурами, и за исключением агрокультур бобовых, азотфиксирующие клубень 0ковые бактерии в них отсутствуют. Реконструкция естественных условий возможна и заключается в севообороте бобовых и других культур, но этот метод не всегда экономически выгоден, а потому используется редко и в основном охватывает только небольшие сельскохозяйственные угодья фермерского типа. В остальных же случаях человек выращивает урожаи монокультур при помощи внесения в почву химически синтезированных азотсодержащих удобрений. Следовательно, налицо следующие отклонения от естественного круговорота азота: снижение клубеньковой азотфиксации за счет снижения площадей произрастания дикорастущих бобовых растений и внесение в почву химически синтезированных азотсодержащих удобрений, т. е., как и в отношении круговорота фосфора, антропогенное влияние на круговорот азота сводится к возникновению биогеографического и количественного дисбаланса (3; 6).  
Невозможно точно сказать, является ли описанное выше вмешательство человека противоречащим первому принципу функционирования экосистем или нет (7; 5). С одной стороны, вмешательство человека нарушает нормальный ход биогеохимических круговоротов: количество углекислого газа, выделяющегося в атмосферу из-за сжигания углеродистого топлива, фотосинтеза, особенно в связи со снижением плотности растительного покрова планеты, и избытки углекислого газа оказывают ряд негативных эффектов по отношению к биосфере Земли; водные экосистемы планеты нарушаются (и даже разрушаются) из-за избыточного поступления в них фосфатов; от дисбаланса круговорота азота страдают как водные, так и наземные экосистемы. С другой же стороны, существует вероятность нормализации этих процессов,  1поскольку  все они в какой-то мере укладываются в рамки нормальных биогеохимических круговоротов.  
Но существует и такая деятельность человека, которая однозначно нарушает принципы устойчивости экосистем. Примером такой деятельности является привнесение в биосферу множества используемых в промышленности техногенных веществ, таких, как ртуть, ДДТ и многое другое. В отсутствие круговоротов этих веществ происходит, с одной стороны - истощение ресурсов, а с другой - загрязнение окружающей среды. Многие из них токсичны, склонны к биоаккумуляции, поэтому часто последствия привнесения их в биосферу невозможно даже предугадать, как, например, невозможно было предугадать массовую гибель птиц на «птичьих базарах» островов Тихого и Атлантического океанов после опыления полей США ДДТ - дихлордифенилтрихлорэтаном, первым широко использовавшимся инсектицидом из класса хлоруглеводородов, который, аккумулировавшись в результате прохождения по пищевым цепям, вызвал повышенную хрупкость скорлупы птичьих яиц, а следовательно - многолетнее уменьшение численности птенцов и уменьшение популяций.  
 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ. ПРОЕКТ «БИОСФЕРА-II»  
 
Возможность гармоничного и естественного существования антропоэкосистемы стали целью изучения частной компании «Space Biospheres Ventures» (7). Этой компанией был запланирован проект «Биосфера-II», целью которого явилось как моделирование автономных станций на Луне и других планетах, так и дополнительные исследования экологического профиля. В ходе проекта «Биосфера-II» планировалось изолированное, автономное проживание восьми человек - четырех мужчин и четырех женщин - в герметичном сооружении из стекла и стали площадью с два футбольных поля в течение двух лет.  
Все системы «Биосферы-II» разработаны в соответствии с принципами функционирования земных естественных экосистем. Помимо восьми человек, «Биосферу-II» составляют около четырех тысяч видов растений, мелких млекопитающих, птиц, рептилий, насекомых, почвенных микроорганизмов, изученных и отобранных по принципу совместимости и способности к формированию устойчивых пищевых цепей и рециклизации отходов. Предполагается формирование целого ряда экосистем: фрагмента дождевого тропического леса, саванны, жестколиственного средиземноморского кустарника, пустыни, пресноводного и соленого болот и даже мини-океана с живым коралловым рифом.  
Циркуляция и очищение воды должны поддерживаться благодаря работе жалюзи, регулирующих солнечное освещение, которое будет приводить в действие конвекционные потоки теплого воздуха, аналогичные воздушным массам, обуславливающим круговорот воды на Земле. Наряду с природными экосистемами, «Биосфера-II» содержит жилые помещения, сельскохозяйственные угодья (посевы, пастбища и аквакультуру - рыбохозяйство). Все экскременты людей и животных, а также другие побочные продукты должны очищаться и разлагаться, минеральные биогены из них - рециклизовываться, обеспечивая развитие растений, а те послужат пищей рыбе, животным и людям. Полностью исключается использование токсичных веществ, борьба с вредителями культур должна осуществляться биологическими методами. Не допускается также использование загрязняющих среду источников энергии, в том числе снижение топлива. Всю энергию должны давать солнечные батареи, преобразующие световое излучение в электрическое без побочных продуктов.  
В настоящее время сведения о проекте «Биосфера-II» являются коммерческой тайной осуществляющей проект организации, но хочется, чтобы проект был полноценно реализован, послужив не только прообразом автономных космических станций, но и дополнительной ступенью к пониманию принципов формирования и существования земных экосистем, а также и столь всеобъемлющей проблемы, как биогеохимический круговорот веществ и роль в нем человека.  
 
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ  
 
1. Алексеева Т. И. Адаптивные процессы в популяции человека. М.: Изд-во Моск. Ун-та, 1986.  
2. Войткевич Г. В., Вронский В. Л. Основы учения о биосфере. М.: Просвещение, 1989.  
3. Горшков С. П. Земельные ресурсы мира. Антропогенное воздействие. М.: Знание, 1987.  
4. Львович М. И. Вода и жизнь, М.: Мысль, 1986.  
5. Небел Б. Наука об окружающей среде. 1 том. М.: Мир, 1983.  
6. Фокин А. Д. Почва, биосфера и жизнь на Земле. М.: Наука, 1986.  
7. Экологические программы ООН 2000 г.