Круговоротные процессы в боисфере

                                                Введение

 Начнем с того, что же такое биосфера. Биосфера – это оболочка Земли, состав, структура и энергетика которой определяются деятельностью живых организмов. Верхняя граница охватывает часть атмосферы до высоты 20-25 км, нижняя граница захватывает часть литосферы на суше 2-3 км и 1-2 км ниже дна океана. Таким образом, биосфера охватывает часть атмосферы, часть литосферы и всю гидросферу. В биосфере Земли происходит постоянный процесс движения и перераспределения вещества. В ней осуществляется массовый перенос твердых, жидких и газообразных тел при различных 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. 

Из почти 100 химических элементов, которые встречаются в природной  среде, почти 40 необходимы для функционирования живых организмов. Из этих химических элементов N(азот), C(углерод), H(водород), O(кислород), P(фосфор), S(сера) относятся к главным биогенам, которые требуются в значимых объемах. Химические элементы циркулируют в биосфере по различным путям биологического круговорота: поглощаются живым веществом, «заряжаются» энергией, затем покидают живое вещество, отдавая накопительную энергию во внешнюю среду.

Круговорот углерода

                   
           Углерод является одним из самых, наверное, часто упоминаемых химических элементов в природе при рассмотрении геологических, биологических, а в последнее время и технических проблем. Углерод встречается на нашей планете в чрезвычайно разнообразных соединениях, начиная с нахождения в виде чистого углерода (графит, уголь и т.д.) вплоть до органических соединений. Неорганическое вещество, лежащее в основе биогенного круговорота этого элемента – диоксид углерода (углекислый газ CO₂₎. 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. 

После завершения жизненного цикла — гибели (смерти) организма его ткани подвергаются биологическому разложению под воздействием редуцентов, что также приводит к поступлению диоксида углерода в атмосферу. Этот процесс приурочен к почвенным горизонтам и определяет сущность почвенного дыхания.

Другим процессом, движущим углерод, является образование  гумуса с помощью сапрофагов и последующую минерализацию вещества под действием грибов и бактерий. Это весьма медленный процесс, скорость которого обусловлена количеством кислорода, химическим составом почвы, ее температурой. При недостатке кислорода и высокой кислотности происходит накопление углерода в торфе. Аналогичные процессы в отдаленные геологические эпохи сформировали залежи угля и нефти, что останавливало процесс круговорота углерода.

Если все процессы жизнедеятельности протекают в  гидросфере, то происходит аналогичная приостановка в результате связывания углерода в кальците (СаСО₃), входящим в состав коралловых,  ракушечных известняков, мела и др. Это самая глубокая консервация углерода, освобождение которого возможно лишь при регрессии моря и дальнейшем выщелачивании карбонатных пород за счет атмосферных осадков или при биологическом выветривании под действием лишайников, корней растений и микроорганизмов.

Круговорот  фосфора

Фосфор один из достаточно широко распространенных химических элементов, входящих в состав различных, в том числе и породообразующих минералов, формирующих ряд горных пород. В процессе выветривания этих пород в значительных количествах фосфор поступает в биогеоценозы, а также за счет выщелачивания атмосферными осадками и в конечном счете накапливается в гидросфере. Во всех случаях фосфор оказывается в пищевых системах, но его подготовка не является простой. Фосфор же необходим организмам для построения генов и молекул соединений, переносящих энергию внутри клеток.

В минералах фосфор содержится в форме неорганического  фосфата-иона (РО³₄). Фосфаты обладают растворимостью, но не образуют газообразных форм, т. е. нелетучи. Растения способны к поглощению фосфата из водного раствора для включения их в состав различных органических соединений. В растениях фосфор выступает уже в форме так называемого органического фосфата. В этой форме он уже способен к движению по пищевым цепям и к его передаче организмам экосистем. При каждом переходе от одного трофического уровня к другому достаточное количество фосфоросодержащего соединения для получения организмом энергии подвергается окислению при клеточном дыхании. В этом случае фосфор может оказаться только в составе мочи или ее аналогов и быть выведенным за пределы организма в окружающую среду, где собственно может начать дальнейший цикл через поглощение растениями.

Необходимо остановиться более подробно на различиях в круговоротах фосфора и углерода. Углерод в виде диоксида углерода поступает в виде газа в атмосферу, где свободно распространяется повсеместно воздушными потоками вплоть до нового усвоения растениями. Фосфор же не образует аналогичной газовой формы, и свободного возврата его в экосистему нет. Жидкие же соединения фосфора поступают в водоемы, где они активно насыщают (вплоть до перенасыщения) водные экосистемы. Из водоема фосфор не может возвратиться на сушу, за исключением небольшого количества в виде помета рыбоядных птиц, который откладывается на побережье, например залежи гуано на побережье Перу, фосфаты откладываются на дне водоемов. Возвращаются на сушу фосфоросодержащие горные породы вместе с процессами регрессии моря и при орогенезе.

Как считает Б. Небел, фосфат и аналогичные минеральные  биогены, находящиеся в почве, циркулируют в экосистеме лишь в том случае, если содержащие их «отходы» жизнедеятельности откладываются в местах поглощения данного элемента. Это характерно для всех естественных экосистем (Б. Небел, 1993).

Круговорот  кислорода

Биохимический цикл — планетарный процесс, который является объединяющим элементом для атмосферы, гидросферы и литосферы. В атмосфере преобладающей формой кислорода является молекула О₂, но так как отмечали мы уже выше имеется еще О₃-озон и О-атомарный кислород. Кислород в свободной форме является как продуктом жизнедеятельности, так и элементом, поддерживающим жизнь. В.И. Вернадский писал: «Жизнь, создающая в земной коре свободный кислород, тем самым создает озон и предохраняет биосферу от губительных коротких излучений небесных светил».

Круговорот кислорода в биосфере представляет собой сумму весьма сложных процессов, так как кислород входит в состав многих различных органических и неорганических соединений. Однако главным является обмен между атмосферой и живыми организмами. Процесс фотосинтеза продуцирует кислород, а процессы разложения его связывают. Незначительное количество кислорода образуется в процессе диссоциации молекул воды и озона в верхних слоях атмосферы под воздействием ультрафиолетовой радиации. Значительная часть кислорода расходуется на окислительные процессы в земной коре, при вулканических извержениях и т. п.

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 азотофиксации (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.                                                             

Круговорот  серы

Это один из главных  биогенов, который попадает в почвенные горизонты в результате естественного разложения отдельных горных пород, содержащих такие минералы, как пирит — серный колчедан (FeS₂), медный колчедан (CuFeS₂) и при разложении органических веществ, преимущественно растительного происхождения. Из почвы по корневым системам сера поступает в растения, где синтезируются серосодержащие аминокислоты — цистин, цистеин, метионин. Для процессов жизнедеятельности сера необходима животным в значительных количествах, попадает она к ним с пищей.

Из органических соединений сера поступает в почву  при разложе- нии преимущественно растительных остатков микроорганизмами. Сера органического происхождения восстанавливается в сероводород (H₂S), минеральную серу или окисляется в сульфаты, которые вновь могут быть поглощены корнями растений, т. е. вновь поступает в биологический круговорот.

Круговорот  воды

В данном случае речь идет не об отдельном биогене, а о соединении двух важнейших  биогенов водорода (Н) и кислорода (О), т. е. воды, значимость которой для  жизни на Земле абсолютна. Круговорот воды представляет собой процесс непрерывного, взаимосвязанного перемещения воды в глобальных масштабах. Круговорот воды осуществляется под влиянием солнечной энергии, гравитации, жизнедеятельности организмов. В целом для планеты главным источником прихода воды служат атмосферные осадки, а расхода — испарение, которые сбалансировано составляют 525 тыс. км³ или 1030 мм в год.

В процессе круговорота воды можно выделить так называемые малый и большой. При малом круговороте вода, испарившаяся с поверхности океана, вновь возвращается в него в виде атмосферных осадков. При большом круговороте часть испарившейся с водной поверхности влаги выпадает не только на океан, но и на сушу, где питает реки и другие водоемы, но в конечном счете с подземным или поверхностным стоком возвращается в океан.

Выше были рассмотрены  аспекты водного баланса гидросферы. Необходимо отметить, что наибольшей активностью в водообмене обладают речные воды (обновляются каждые 11 дней) против, например, воды полярных ледников (обмен совершается за 8000 лет). Речная вода в естественных условиях практически всегда пресная и служит для потребления многими живыми организмами. По мнению многих ученых, круговорот воды представляет собой глобальный гигантский опреснитель воды.

Значимую роль в процессе круговорота воды играет эвапотранспирация, которая представляет собой количество влаги, переходящее в атмосферу в результате транспирации зеленых растений и испарения с поверхности почвы, т. е. суммарное испарение (принято измерять его в мм рт. ст.). Транспирацией именуют испарение воды зелеными частями растений, причем она испаряется со всей наружной и всех внутренних поверхностей растений, соприкасающихся с воздухом. Общая транспирация зависит от многих экологических факторов (освещенность, сухость воздуха, ветер, рельеф и др.). Наибольшей транспирацией характеризуются болотные и плавающие растения (рогоз, частуха, рдест—до 4000 мг/дм²»ч). Из наземных растений сильнее всего транспирируют травянистые растения солнечных местообитаний—до 2500 мг/дм²»ч; кустарники в тундре дают всего 150 мг/дм²-ч; а тропические деревья в лесах области туманов лишь до 120 мг/дм².ч. У вечнозеленых хвойных пород игольчатая хвоя в передней части устьичного аппарата имеет высокую пробку, которая служит дополнительным препятствием для транспирации. У пустынных растений транспирация служит единственным способом зашиты организма от летальных последствий воздействий высоких температур.

Проведенные специалистами  ФРГ количественные оценки роли эвапотранспирации в круговороте воды показали следующее: при средней годовой норме осадков 771 мм в море с подземным и поверхностным стоком поступает менее их половины—367 мм, а оставшиеся 404 мм эвапотранспирируются. Шведские ученые установили, что 1 га елового леса за 1 год транспирирует при сухой почве до 2100 м³ воды. Величина эвапотранспирации для растительных формаций средней Европы составляет до 7000 т на 1та в год. Отдельные виды древесных пород с успехом могут использоваться для осушения болот. Классическим примером может служить осушение Колхидских болот в Грузии посадками эвкалиптов. 

Биогеохимическая  деятельность человека

 
          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.