Круговорот важнейших химических элементов в природе

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.

Создав биогеохимические "свалки", природа, возможно, хотела предостеречь человека от непродуманной, безнравственной деятельности, показать ему на наглядном примере, к чему приводит нарушение распределения  химических элементов в земной коре и на её поверхности.

Возможность нашей  жизни, ее условия находятся в  зависимости от природных ресурсов. Биологические и особенно пищевые  ресурсы служат материальной основой  жизни. Минеральные и энергетические ресурсы, включаясь в производство, служат основой стабильного уровня жизни.

Интенсивно потребляя  природные ресурсы, человеку необходимо соблюдать природное равновесие. Сбалансированность ресурсов в круговороте  веществ определяет устойчивость биосферы.

Круговорот фосфора

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Биогеохимические круговороты.                    

В отличие от энергии, которая однажды  использованная организмом, превращается

в тепло и теряется для экосистемы, вещества циркулируют в биосфере, что и

называется  биогеохимическими круговоротами. Из 90 с лишним элементов,

встречающихся в природе, около 40 нужны живым организмам. Наиболее важные для

них и требующиеся в больших количествах: углерод, водород, кислород, азот.

Кислород  поступает в атмосферу в результате фотосинтеза и расходуется

организмами при дыхании. Азот извлекается из атмосферы благодаря деятельности

азотофиксирующих  бактерий и возвращается в неё  другими бактериями.

Круговороты элементов и веществ осуществляются за счёт саморегулирующих

процессов, в которых участвуют все составные  части экосистем. Эти процессы

являются  безотходными. В природе нет ничего бесполезного или вредного, даже

от  вулканических извержений есть польза, так как с вулканическими газами в

воздух  поступают нужные элементы, например, азот.

Существует  закон глобального замыкания  биогеохимического круговорота  в

биосфере, действующий на всех этапах её развития, как и правило увеличения

замкнутости биогеохимического круговорота  в ходе сукцессии. В процессе

эволюции  биосферы увеличивается роль биологического компонента в замыкании

биогеохимического круговорота. Ещё большую роль на биогеохимический

круговорот  оказывает человек. Но его роль осуществляется в противоположном

направлении. Человек нарушает сложившиеся круговороты веществ, и в этом

проявляется его геологическая сила, разрушительная по отношению к биосфере на

сегодняшний день.

Когда 2 млрд. лет тому назад на Земле  появилась жизнь, атмосфера состояла из

вулканических газов. В ней было много углекислого газа и мало кислорода (если

вообще  был), и первые организмы были анаэробными. Так как продукция в среднем

превосходила  дыхание, за геологическое время  в атмосфере накапливался

кислород  и уменьшалось содержание углекислого  газа. Сейчас содержание

углекислого газа в атмосфере увеличивается  в результате сжигания больших

количеств горючих ископаемых и уменьшения поглотительной способности

«зелёного пояса». Последнее является результатом  уменьшения количества самих

зелёных растений, а также связано с  тем, что пыль и загрязняющие частицы  в

атмосфере отражают поступающие в атмосферу  лучи.

В результате антропогенной деятельности степень замкнутости биогеохимических

круговоротов  уменьшается. Хотя она довольно высока (для различных элементов и

веществ она не одинакова), но тем не менее не абсолютна, что и показывает

пример  возникновения кислородной атмосферы. Иначе невозможна была бы эволюция

(наивысшая  степень замкнутости биогеохимических  круговоротов наблюдается в

тропических экосистемах – наиболее древних и консервативных).

Таким образом, следует говорить не об изменении  человеком того, что не должно

меняться, а скорее о влиянии человека на скорость и направление изменений  и

на  расширение их границ, нарушающее правило  меры преобразования природы.

Последнее формулируется следующим образом: в ходе эксплуатации природных

систем  нельзя превышать некоторые пределы, позволяющие этим системам

сохранять свойства самоподдержания. Нарушение меры как в сторону увеличения,

так и в сторону уменьшения приводит к отрицательным результатам. Например,

избыток вносимых удобрений столь же вреден, сколь и недостаток. Это чувство

меры  утеряно современным человеком, считающим, что в биосфере ему  всё

позволено.

Надежды на преодоление экологических трудностей связывают, в частности, с

разработкой и введением в эксплуатацию замкнутых  технологических циклов.

Создаваемые человеком циклы превращения  материалов считается желательным

устраивать  так, чтобы они были подобны естественным циклам круговорота

веществ. Тогда одновременно решались бы проблемы обеспечения человечества

невосполнимыми  ресурсами и проблема охраны природной  среды от загрязнения,

поскольку ныне только 1 – 2% веса природных ресурсов утилизируется в конечном

продукте.

Теоретически  замкнутые циклы превращения  вещества возможны. Однако полная и

окончательная перестройка индустрии по принципу круговорота вещества в

природе не реальна. Хотя бы временное нарушение замкнутости технологического

цикла практически неизбежно, например, при  создании синтетического материала

с новыми, неизвестными природе свойствами. Такое вещество вначале всесторонне

апробируется  на практике, и только потом могут  быть разработаны способы его

разложения  с целью внедрения составных  частей в природные круговороты.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Антропогенные воздействия  на окружающую среду           

Проблемы народонаселения  и ресурсов биосферы тесно связаны  с реакциями

окружающей природной  среды на антропогенные воздействия. Естественное

экологически сбалансированное состояние окружающей среды обычно называют

нормальным. Это состояние, при котором отдельные группы организмов биосферы

взаимодействуют друг с другом и с абиотической средой без нарушения

равновесия круговоротов веществ и потоков энергии  в пределах определённого

геологического периода, обусловлено нормальным протеканием  природных

процессов во всех геосферах.

Природные процессы могут  иметь катастрофический характер, например извержения

вулканов, землетрясения, наводнения, что, однако, также составляет «норму»

природы. Эти и другие природные процессы постепенно, с  геологической

скоростью, эволюционируют и в то же время в течение  тысячелетий (на

протяжении одного геологического периода) остаются в квазистатическом

сбалансированном состоянии. При этом квазистатически протекают малый

(биологический) и большой  (геологический) круговороты веществ  и

устанавливаются квазистатические энергетические балансы между различными

геосферами и космосом, что объединяет природу в единое целое. Круговороты

веществ и энергии в  биосфере характеризуются определёнными количественными

параметрами, которые квазистатичны и специфичны для данного геологического

периода и для каждого  элемента земной поверхности в соответствии с их

географией.

Обычно в качестве основных параметров, характеризующих состояние  окружающей

природной среды, выделяют следующие:

1.     Энергетический:

Е = Е₀ + DЕ,

где Е₀ – запас энергии в системе в момент времени t₀;

DЕ – энергетический баланс системы за время Dt, т.е. в период от t = t₀

до t = t₀ + Dt .

2.     Водный:

W = W₀ + DW,

где W₀ – запас воды в системе в момент времени t₀;

DW – водный баланс системы  за время Dt, т.е. в период от t = t₀ до t = t₀ + Dt .

3.     Биологический:

В = В₀ + DВ_в - DВ_m,

где B₀ – начальная биомасса;

DВ_в – биологическая продуктивность;

DВ_m – минерализация органики за время Dt .

4.     Биогеохимический:

G = G₀ + DG_в - DG_g,

где G₀ – запас химических элементов в системе;

DG_в и DG_g – изменение запаса химических элементов

вследствие биологического и геологического круговоротов веществ.

Эти параметры состояния  окружающей среды могут быть количественно  определены