Методы экологических исследований. Круговорот веществ

1. Солнце, как источник энергии.

Первоисточником энергии для экосистем служит Солнце. Поток энергии, посылаемый солнцем к планете Земля, превышает 20 млн. ЭДж в год. Из-за шарообразности земли к границе всей атмосферы подходит только четверть этого потока. Из нее около 70% отражается, поглощается атмосферой, излучается в виде длинноволнового инфракрасного излучения. Падающая на поверхность Земли солнечная радиация составляет 1,54 млн. ЭДж в год. Это огромное количество энергии в 5000 раз превышает всю энергетику человечества конца XX столетия и в 5,5 раза — энергию всех доступных ресурсов ископаемого топлива органического происхождения, накопленных в течение, как минимум, 100 млн. лет. Поток солнечной энергии на Земле и ее трансформации показаны на рис. 1.

Большая часть солнечной энергии, достигающей поверхности планеты, превращается непосредственно в тепло, нагревая воду или почву, от которых в свою очередь нагревается воздух. Это тепло служит движущей силой круговорота воды, воздушных потоков и океанических течений, определяющих погоду, постепенно отдается в космическое пространство, где и теряется.

Для определения места экосистем в этом природном потоке энергии важно представлять, что как бы протяженны и сложны они ни были, ими используется лишь небольшая его часть. Отсюда следует один из основных принципов функционирования экосистем: они существуют за счет не загрязняющей среду и практически вечной солнечной энергии, количество которой относительно постоянно и избыточно. Дадим более детально каждую из перечисленных характеристик солнечной энергии.

1. Избыток. Растения используют около 0,5% ее количества, достигающею Земли. Если бы люди существовали только за счет солнечной энергии, то они бы использовали еще меньшую ее часть. Следовательно, ее поступающего на землю количества достаточно для удовлетворения потребностей человечества, а так как солнечная энергия в конце концов превращается в тепло, то увеличение ее использования не должно оказывать влияния на динамику биосферы.

Рис. 1. Поток солнечной энергии на Земле и ее трансформации

 

 

Примечание: энергия выражена в ЭДж/год. 1 ЭДж = 1018 Дж; горизонтальное сечение потока энергии — логарифмическое. На каждом из этапов трансформации большая часть энергии теряется

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2) Чистота. Солнечная энергия — «чистая», хотя ядерные реакции, идущие в недрах Солнца и служащие источником ею энергии, и сопровождаются радиоактивным загрязнением, все оно остается в 150 млн. км от Земли. В этом ее отличие от энергии, получаемой путем сжигания ископаемого топлива или на атомных электростанциях.

3) Постоянство. Солнечная энергия всегда будет доступна в одинаковом, безграничном количестве.

4) Вечность Ученые считают, что Солнце через несколько миллиардов лет погаснет. Однако для нас это не имеет практического значения, так как люди, по современным данным, существуют только около 3 млн. лет. Это всего 0,3% миллиарда. Отсюда, если даже через 1 млрд. лет жизнь на Земле станет невозможной, у человечества в запасе еще 99,7% этого срока, или каждые 100 лет он будет уменьшаться всего на 0',00001 % .

2. Круговорот веществ в природе.

Солнечная энергия на Земле вызывает два круговорота веществ: большой (геологический), наиболее ярко проявляющийся в круговороте воды и циркуляции атмосферы, и малый, биологический (биотический), развивающийся на основе большого и состоящий в непрерывном, циклическом, но неравномерном во времени и пространстве, и сопровождающийся более или менее значительными потерями закономерного перераспределения вещества, энергии и информации в пределах экологических систем различного уровня организации.

Оба круговорота взаимно связаны и представляют как бы единый процесс. Подсчитано, что весь кислород, содержащийся в атмосфере, оборачивается через организмы (связывается при дыхании и высвобождается при фотосинтезе) за 2000 лет, углекислота атмосферы совершает круговорот в обратном направлении за 300 лет, а все воды на Земле разлагаются и воссоздаются путем фотосинтеза и дыхания за 2 000 000 лет.

Взаимодействие абиотических факторов и живых организмов экосистемы сопровождается непрерывным круговоротом вещества между биотопом и биоценозом в виде чередующихся то органических, то минеральных соединений. Обмен химических элементов между живыми организмами и неорганической средой, различные стадии которого происходят внутри экосистемы, называют биогеохимическим круговоротом, или биогеохимическим циклом.

Существование подобных круговоротов создает возможность для саморегуляции (гомеостаза) системы, что придает экосистеме устойчивость: удивительное постоянство процентного содержания различных элементов. Здесь действует принцип функционирования экосистем: получение ресурсов и избавление от отходов происходят в рамках круговорота всех элементов.

Рассмотрим более подробно основные биохимические круговороты.

1) Круговорот воды

Около трети поступающей на Землю энергии Солнца затрачивается на приведение в движение круговорота воды. Море теряет из-за испарения воды больше, чем получает с осадками. На суше ситуация противоположная. То есть значительная часть осадков, поддерживающих экосистемы суши, приходит к нам с моря.

Однако немалый вклад в круговорот воды вносит и растительность данной конкретной местности, особенно в областях, находящихся в глубине континента, или же «экранированных» от моря грядой гор. Дело в том, что вода, поступающая в растения из почвы, почти полностью (97-99 %) испаряется через листья. Это называется транспирацией. Испарение охлаждает листья и способствует движению в растениях биогенных элементов. Одновременно это поддерживает локальные круговороты воды, позволяющие растительному миру успешно существовать даже если «дожди с моря» достаточно редки.

2) Круговорот углерода

Углерод является одним из самых необходимых для жизни компонентов. В состав органического вещества он включается в процессе фотосинтеза. Затем основная его масса поступает в пищевые цепи животных и накапливается в их телах в виде различного рода углеводов.

Главную роль в круговороте углерода играет атмосферный и гидросферный фонды углекислого газа СО2. Этот фонд пополняется при дыхании растений и животных, а также при разложении мертвой органики. Некоторая часть углерода ускользает из круговорота в захоронения. Однако человек в последнее время достаточно успешно разрабатывает эти захоронения, возвращая в круговорот жизни углерод и другие важные для жизни элементы, накопленные за миллионы лет. Хотя это приводит к ряду отрицательных для нас последствий, но как знать, может быть, именно эту миссию мы должны были выполнить для биосферы.

Например, известно, что увеличение содержания СО2 и понижение содержания О2 в атмосфере приводит к усилению фотосинтеза. Может быть, после того, как мы очистим планету от современных форм жизни (в том числе и от своего присутствия на ней), начнется бурный этап развития новых более совершенных форм, которые сейчас не могут выдержать конкуренции. Ведь была же когда-то эпоха анаэробной жизни на земле. «Неприятным» продуктом их жизнедеятельности был кислород, накопление которого практически погубило эту форму жизни. Теперь ее следы можно обнаружить лишь в недрах болот, да в глубоководных впадинах. Но зато было дано начало новым более совершенным аэробным организмам, которые научились «нейтрализовывать» кислород и даже использовать его химическую активность для получения свободной энергии.

Фотосинтезирующий зеленый пояс и карбонатная система моря поддерживают постоянный уровень СО2 в атмосфере. Но за последние 100 лет содержание СО2 постоянно растет из-за новых антропогенных поступлений и сведения лесов. Полагают, что в начале промышленной революции (1800 г) в атмосфере Земли присутствовало около 0.029 % СО2. В 1958 г., когда были проведены первые точные измерения, - 0.0315 %, в 1980 - 0.0335 %. Когда доиндустриальный уровень будет превышен вдвое (2050 г), ожидается повышение температуры в среднем на 1.5-4.5 градуса. Это связано в первую очередь с парниковым эффектом, к которому приводит повышенное содержание углекислого газа в атмосфере. Если в 20-м веке уровень моря поднялся на 12 см, то в 21-м веке нас может ожидать нарушение стабильности полярных ледяных шапок, что приведет к их таянию и катастрофическому подъему уровня мирового океана. По некоторым прогнозам в 2050 году под водой может оказаться Нью-Йорк и большая часть Западной Европы.

На фоне этого происходит потеря углекислоты из почвенного фонда, что вызвано окислением гумуса в почве после уничтожения лесов при последующем использовании этих земель для сельского хозяйства или строительства городов .

3) Круговорот азота

Азот входит в состав аминокислот, являющихся основным строительным материалом для белков. Хотя азот требуется в меньших количествах, чем, например, углерод, тем не менее, дефицит азота отрицательно сказывается на продуктивности живых организмов.

Основным источником азота является атмосфера, откуда в почву, а затем в растения азот попадает только в форме нитратов, которые являются результатом деятельности организмов-азотофиксаторов (отдельные виды бактерий, сине-зеленых водорослей и грибов), а также электрических разрядов (молний) и других физических процессов. Остальные соединения азота не усваиваются растениями.

Второй источник азота для растений – результат разложения органики, в частности белков. При этом, в начале образуется аммиак, который преобразуется бактериями-нитрификаторами в нитраты и нитриты.

Возвращение азота в атмосферу происходит в результате деятельности бактерий-денитрификаторов, разлагающих нитраты до свободного азота и кислорода.

Значительная часть азота, попадая в океан (в основном со сточными континентальными водами), частично используется водной растительностью, а затем по пищевым цепям через животных возвращается на сушу. Небольшая часть азота выпадает из круговорота, уходя в осадочные соединения. Однако эта потеря компенсируется поступлением азота в воздух с вулканическими газами, а также с индустриальными выбросами. Если бы наша цивилизация достигла такой технической мощи, что смогла бы блокировать все вулканы на Земле (я не сомневаюсь, что подобные проекты обязательно возникли бы), то при этом из-за прекращения поступлений углерода, азота и других веществ, от голода могло бы погибнуть больше людей, чем страдает сейчас от извержений вулканов.

Антропогенный азот поступает в природу в основном в форме азотных удобрений. Их количество примерно равно природной фиксации азота в атмосфере, но ниже биологической фиксации.

В природных экосистемах порядка 20 % азота - это новый азот, полученный из атмосферы путем азотофиксации. Остальные 80 % возвращаются в круговорот вследствие разложения органики. В агросистемах из азота, поступившего на поля с удобрениями, очень небольшая часть используется повторно, большая же часть теряется с собираемым урожаем, а также в результате выщелачивания (выноса водой) и денитрификации.

Лишь прокариоты, безъядерные, самые примитивные микроорганизмы могут превращать биологически бесполезный газообразный азот в формы, необходимые для построения и поддержания живой протоплазмы. Когда эти микроорганизмы образуют взаимовыгодные ассоциации с высшими растениями, фиксация азота значительно усиливается. Растения представляют бактериям подходящее местообитание (корневые клубеньки), защищают микробы от излишков кислорода и поставляют им необходимую высококачественную энергию. За это растение получает легкоусвояемый фиксированный азот. Мечта современных специалистов по генной инженерии - создать самоудобряющиеся сорта зерновых культур, которые имели бы на корнях клубеньки с азотофиксирующими бактериями, аналогичные клубенькам на корнях бобовых растений. Полагают, что это позволило бы совершить существенный прорыв в сельском хозяйстве. Однако как знать, не нарушит ли подобное увеличение природной фиксации свободного азота того хрупкого баланса притока и оттока азота в атмосфере, который обеспечивает стабильность концентрации азота в воздухе, которым мы дышим.

4) Круговорот фосфора

Фосфор является необходимым компонентом нуклеиновых кислот (РНК и ДНК), выполняющих в биосистемах функции, связанные с записью, хранением и чтением информации о строении организма. Фосфор - достаточно редкий элемент. Относительное количество фосфора, требуемое живым организмам, гораздо выше, чем относительное содержание его в тех источниках, откуда организмы черпают необходимые им элементы. То есть дефицит фосфора в большей степени ограничивает продуктивность в том или ином районе, чем дефицит любого другого вещества, за исключением воды.

Фосфор встречается лишь в немногих химических соединениях. Он циркулирует, переходя из органики в фосфаты, которые могут затем использоваться растениями. Особенность круговорота фосфора в том, что в нем отсутствует газообразная фаза. То есть основным резервуаром фосфора является не атмосфера, а горные породы и другие отложения, образовавшиеся в прошлые эпохи. Породы эти подвергаются эрозии, высвобождая фосфаты в экосистемы. После неоднократного потребления его организмами суши и моря фосфор в конечном итоге выводится в донные осадки. Это грозит дефицитом фосфора. В прошлом морские птицы, по-видимому, возвращали фосфор в круговорот. Сейчас основным поставщиком фосфора является человек, вылавливая большое количество морской рыбы, а также перерабатывающий донные отложения в фосфаты. Однако добыча и переработка фосфатов создает серьезные проблемы с загрязнением окружающей среды .

5) Круговорот серы

Сера является элементом, необходимым для синтеза многих белков. Для биосистем требуется очень мало серы.

Круговорот серы осуществляется через воздух, воду и почву. Сульфат SO4 аналогично нитрату и фосфату - основная доступная форма серы, которая восстанавливается растениями и включается в белки. Затем она проходит по пищевым цепям экосистем и возвращается в круговорот с экскрементами животных.

Основными источниками поступления соединений серы в биосферу являются производственная деятельность человека (сжигание угля и серосодержащих углеводородов), вулканы, разложение органики и распад серосодержащих руд и минералов.

6) Осадочный цикл

Большинство важных для жизни элементов, таких как железо, кальций, калий, магний, марганец, медь, хлор и др., более привязано к земле, чем, например, азот или углерод. Их круговороты входят в общий осадочный цикл, циркуляция в котором осуществляется путем эрозии, осадкообразования, горообразования, вулканизма и биологического переноса.

Чем меньше эрозия, тем меньший поток веществ потребуется извне. В периоды минимальной геологической активности накопление минеральных элементов питания происходит на низменностях и в глубинах океанов за счет возвышенных районов. Этому способствует, например, распашка земель, что обедняет почвы. Но избыток этих веществ в низовьях может привести к тому, что жизнь будет «задушена» потоками ила, грязи, токсичных веществ и т.п.