Биотический круговорот

Биотический круговорот веществ как замкнутая система отработан в процессе эволюции за несколько миллиардов лет. Мертвых животных и растения перерабатывают насекомые, простейшие, грибы, бактерии и другие деструкторы ( редуценты), которые разрушают их, превращая в минеральные или простейшие органические соединения, поступающие в почву и вновь потребляемые растениями. Непрерывность, замкнутость этого процесса обеспечиваются распадом и разложением конечных продуктов. 

Под влиянием биотического круговорота веществ концентрация фосфора в почве заметно выше ( в среднем 0 1 - 0 3 %), чем в земной коре. Гумусовые горизонты ненарушенных почв богаты фосфором, в лесной подстилке иногда содержится до 100 кг / га этого элемента. Большое количество фосфора ( 106 - 107т) удерживается в веществе биосферы. Содержание данного элемента в фитомассе природных ( естественных) луговых степей достигает 30 кг / га. Для диких травоядных млекопитающих такой уровень фосфора в кормовых растениях вполне достаточен. 

Энергетический принцип изучения биотического круговорота веществ отражает фундаментальное положение о том, что энергия, в отличие от вещества, в цепи трофических ( пищевых) превращений не исчезает, а переходит из одной формы в другую. 

Энергия Солнца трансформируется в процессе биотического круговорота веществ на каждом его этапе и уровне. Непосредственно потребляют солнечную энергию только зеленые растения в процессе фотосинтеза. Они создают органическое вещество из диоксида углерода ( СО2) и воды, как бы аккумулируя энергию. 

В определенные экологически специфические периоды сбалансированность биотического круговорота веществ нарушалась: из него выводились излишки, которые депонировались ( откладывались) в виде нефти, каменного угля, газа, известняков и других минералов органического происхождения. При сжигании каменного угля в топках или нефти в моторах освобождается и используется солнечная энергия, запасенная былыми биосферами сотни миллионов лет назад. Важно отметить, что эти депонированные в прошлом, выведенные из биотического круговорота излишки не засоряли биосферу и не оказывали вредного влияния на сам процесс. 

Разнообразие животных чрезвычайно важно прежде всего для основного процесса - биотического круговорота веществ и энергии. Один вид не способен в любом биогеоценозе расщепить органическое вещество растений до конечных продуктов. Каждый вид использует лишь часть растений и некоторые содержащиеся в них органические вещества. Так складываются цепи и сети питания, последовательно извлекающие вещества и энергию из фотосинте-зирующих растений. 

Таким образом, атмосфера в биоценозе играет огромную роль в поддержании биотического круговорота вещества и энергии и обеспечении водного баланса. 

Экосистема - совокупность в биосфере организмов и неорганических компонентов, в которой осуществляется биотический круговорот веществ. Понятие, часто употребляемое вместо термина биогеоценоз, но более общее, безразмерное. 

При этом загрязнитель разлагается до форм, усваиваемых живыми организмами и вовлекаемых далее в биотический круговорот веществ. Оно основано на поглощении и разложении загрязнителей главным образом микроорганизмами и зависит от их количества и физиологической активности. Длительность процесса самоочищения резко меняется в зависимости от географического места, например, на севере оно идет медленно. Способность почвы к самоочищению имеет огромное значение для проживающих в ней организмов и связанных с ними других компонентов биосферы. 

Итак, получая беспрерывный поток солнечной энергии, растения создают первичную продукцию из неорганической материи. В дальнейших звеньях биотического круговорота веществ происходит лишь расходование этого запаса с трансформацией и потерей энергии. Консументы, редуценты потребляют живое вещество первичной продукции. Животные, сами создавая новое живое вещество, расходуют для этого в десятки раз больше живого вещества предыдущего трофического уровня, тем самым уменьшая и общие запасы потока энергии. 

Оба круговорота взаимосвязаны и представляют собой как бы единый процесс. Втягивая в свои многочисленные орбиты косную среду, биотический круговорот веществ обеспечивает воспроизводство живого вещества и оказывает активное влияние на облик биосферы. 

Жизнь не только возникает из мертвой ( косной) материи, но и оказывает на нее существенное воздействие. Главнейшая роль живого сводится к осуществлению так называемого биотического круговорота веществ или биогеохимического цикла. Все вещества, участвующие в жизненных процессах, физически конечны, и за миллионы лет их аккумуляции в органическом веществе они могли бы уже быть исчерпанными. 

В общем комплексе мер, направленных на повышение продуктивности прудов, улучшения зоогигиенических условий, большое значение имеют агромелиоративные работы. Важным биологическим процессом, происходящим в водоемах и определяющим во многом эффективность ведения рыбоводства, является процесс биотического круговорота веществ. 

Они весьма разнообразны как по своему составу, так и по биологической деятельности. Микроорганизмы в почве исчисляются миллиардами на 1 га. Они принимают участие в биотическом круговороте вещества, разлагают сложные органические и минеральные вещества на более простые. Последние утилизируются как самими микроорганизмами, так и высшими растениями. 

Огромное значение в осуществлении этих процессов в почве имеют микроорганизмы  (бактерии, актиномицеты, низшие грибы, одноклеточные водоросли, вирусы и др.), весьма разнообразные как по своему составу, так и по биологической деятельности. Микроорганизмы в почве исчисляются миллиардами на 1 га. Они принимают участие в биотическом круговороте веществ, разлагают сложные органические и минеральные вещества на более простые. Последние утилизируются как самими микроорганизмами, так и высшими растениями. Органическое вещество почвы, образовавшееся в ней при разной степени разложения растительных и животных остатков, получило название гумус или перегной. 

Для создания высокопродуктивной и устойчивой экосистемы необходимо поддерживать максимально возможное многообразие биогеоценозов, создавая оптимальный ландшафт. Агроценозы должны быть разнообразны и содержать такие компоненты, как лесные полосы, перелески, живые изгороди. Все неудобные земли рекомендуют использовать под зеленые насаждения, парки. Среди высокопродуктивных агроценозов следует сохранять как можно больше природных участков различного масштаба с нетронутыми естественными биогеоценозами с их богатым биологическим разнообразием, где с максимальной полнотой осуществляется биотический круговорот веществ и охраняется ценный генофонд. 

Жизнь на Земле возникла 4 - 5 млрд лет назад - задолго до образования кислородной атмосферы. Вероятно, первые организмы и фотосинтезирующие растения появились в воде, где жизнь лучше защищена от ультрафиолетового излучения, пока не образовался озоновый экран. Видимо, с момента возникновения первых организмов до появления кислорода в атмосфере прошло не менее 1 млрд лет. Атмосфера с высоким содержанием кислорода сформировалась 500 - 600 млн лет назад, когда окончательно сложился современный биотический круговорот веществ. 

^ Круговорот веществ в биосфере 
 
Главная функция биосферы заключается в осуществлении круговорота химических элементов. Глобальный биотический круговорот совершается при участии всех населяющих планету организмов. Он заключается в циркуляции веществ между почвой, атмосферой, гидросферой и живыми организмами. Благодаря биотическому круговороту возможно длительное существование и развитие жизни при ограниченном запасе доступных химических элементов. 
 
В круговороте веществ, как в многократном участии веществ в процессах, протекающих в атмосфере, литосфере, гидросфере, различают малый круг биотического обмена (био-геоценотический) и большой (биосферный). 
 
^ Большой круг биотического обмена — это безостановочный планетарный процесс циклического, неравномерного во времени и пространстве перераспределения вещества, энергии и информации, многократно входящих в непрерывно обновляющиеся экологические системы биосферы. Большой круг биотического обмена наиболее ярко проявляется в круговороте воды и циркуляции атмосферы. 
 
^ Малый биотический круговорот происходит на основе большого и заключается в циркуляции веществ между растениями, животными и микроорганизмами. 
 
Оба круговорота взаимосвязаны и представляют собой как бы единый процесс. Втягивая в свои многочисленные орбиты косную среду, биотический круговорот веществ обеспечивает воспроизводство живого вещества и оказывает активное влияние на облик биосферы. 
 
В основе круговорота веществ лежит наличие в биосфере двух основных типов питания: аутотрофного и гетеротрофного. 
 
Аутотрофы извлекают необходимые для жизни химические вещества из окружающей среды и при помощи солнечной энергии включают их в органическое вещество. 
 
Гетеротрофы разлагают органическое вещество до углекислого газа, воды и минеральных солей и возвращают их в окружающую среду. Этим обеспечивается круговорот веществ, который возник в процессе эволюции как необходимое условие существование жизни. При этом световая энергия солнца трансформируется живыми организмами в другие формы энергии — химическую, механическую, тепловую. Определенная часть солнечной энергии рассеивается в виде тепла. 
 
Деятельность и взаимоотношения всех живых существ в природе основываются на односторонне направленном потоке энергии и круговороте веществ. 
 
Используя неорганические вещества, зеленые растения за счет энергии солнца создают органические вещества, которые другими живыми существами (гетеротрофами — потребителями и деструкторами) разрушаются с тем, чтобы продукты этого разрушения могли быть использованы для новых органических синтезов. 
 
Важная роль в глобальном круговороте веществ принадлежит воде, ее циркуляции между океаном, атмосферой и верхним слоем литосферы. Вода испаряется и воздушными течениями переносится на огромные расстояния. Выпадая на поверхность суши в виде осадков, она способствует разрушению горных пород, делая их доступными для растений и микроорганизмов, размывает верхний почвенный слой и уходит вместе с растворенными в ней химическими соединениями и взвешенными органическими частицами в океаны и моря. Подсчитано, что с поверхности Земли за минуту испаряется около 1 млрд. тонн воды. На образование 1 г водяного пара затрачивается 2,248 кДж энергии, которая возвращается в атмосферу. Циркуляция воды между океаном и сушей представляет собой важнейшее звено в поддержании биотического круговорота и жизни на Земле, а так же является важнейшим условием взаимодействия растений и животных с неживой природой. Благодаря этому процессу происходит постепенное разрушение литосферы, перенос компонентов в глубины Мирового океана. 
 
Энергия биотического круговорота невелика по сравнению с энергией, расходуемой в абиотических биогеохимических процессах. Благодаря ей осуществляется значительный объем работы по перемещению химических элементов. 
 
Примерами биотического круговорота могут служить круговорот углерода и азота в биосфере. 
 
Круговорот азота также охватывает все области биосферы. Хотя его запасы в атмосфере практически неисчерпаемы, высшие растения могут использовать азот только после его соединения с водородом или кислородом. Важнейшую роль при этом играют азотфиксирующие бактерии. Азот вовлекается в биогенный круговорот двумя путями: 1) путем растворения разных оксидов азота в дождевой воде и поступления его таким образом в почвы, воду и океан; 2) путем биологической фиксации азота клубеньковыми бактериями, свободными азотфиксирующими микроорганизмами. Азот в живых организмах занимает очень важное место, он входит в состав белков и нуклеиновых кислот. Молекулярный азот атмосферы могут усваивать лишь некоторые микроорганизмы и сине-зеленые водоросли, переводя его в азотистые соединения. Азотфиксация является важнейшим биологическим процессом, играющим важную роль в круговороте азота в природе и обогащающим почву и водоемы связанным азотом. 
 
Остатки организмов на поверхности Земли и погребенные в толще пород подвергаются разрушению при участии многочисленных микроорганизмов. В этих процессах органический азот подвергается многочисленным превращениям. В результате процесса денитрификации при участии бактерий вновь образуется элементарный азот, возвращающийся непосредственно в атмосферу. 
 
При разложении белков образуются также аммиак и его производные, попадающие также в воздух и воду океана. В биосфере в результате нитрификации — окисления аммиака и других азотсодержащих органических соединений при участии бактерий — образуются различные оксиды азота, которые являются основой образования азотной кислоты. Азотная кислота, соединяясь с металлами, дает соли. В результате деятельности денитрофицирующих бактерий соли азотной кислоты восстанавливаются до азотистой кислоты и далее до свободного азота.

Биосфера как живая самоорганизующаяся система.

Совокупность всех биогеоценозов на поверхности Земли, связанных обменом вещества, энергии и информации, называется биосферой. Биосфера – это целостная самоорганизующаяся система, состоящая из различных компонентов (экологических систем, биоценозов, популяций, организмов и т. п.), которые в свою очередь могут рассматриваться как самостоятельные самоорганизующиеся системы. Биосфера охватывает часть атмосферы, гидросферу, верхнюю часть литосферы. Верхняя граница биосферы располагается примерно в 30 км над поверхностью Земли, нижняя – до 10 м в земной коре. При этом некоторые живые организмы обнаружены на глубине до 11 км. Температурные интервалы, в которых может существовать жизнь, также ограничены: от -2520до +180оС. Живые существа на поверхности Земли защищены от ультрафиолетовых лучей озоновым слоем. Биосферу рассматривают как единую систему, в которой масса живого вещества, несмотря на все изменения и переходы из одного состояния в другое, сохраняется на одном уровне. Структура, состав и энергия биосферы определяются прошлой и настоящей деятельностью всех живых организмов, в том числе и человека. В современном представлении о биосфере подчеркиваются взаимозависимость и взаимовлияние живой и неживой природы; биосфера – это живые организмы и среда их обитания. Качественные преобразования биосферы уже не раз случались на протяжении геологической и биологической эволюции, что сопровождалось исчезновением одних биологических видов и появлением других.

Термин «биосфера» был впервые использован в 1875 г. австрийским ученым Э. Зюссом, который понимал под биосферой «совокупность организмов, ограниченную в пространстве и времени и обитающую на поверхности Земли». Таким образом, первоначально понятием «биосфера» обозначалась совокупность только живых организмов. Связь живой и неживой природы трактовалась односторонне: отмечалась зависимость живых организмов от химических, физических, геологических и т. п. факторов, однако обратное воздействие оставалось вне поля зрения ученых. Изменил представление о биосфере русский ученый и философ В.И. Вернадский.

Центральной идеей В.И. Вернадского стало представление о живом веществе – совокупности всех живых организмов на планете. В процессе жизнедеятельности организмы получают из окружающей среды необходимые химические вещества, а после смерти они возвращают их обратно, таким образом, живое и неживое находятся в постоянном взаимодействии. В.И. Вернадский подчеркивает активное влияние живых организмов на косную материю. По его мнению, живое вещество составляет незначительную по объему и весу часть биосферы, однако оно является ее определяющим компонентом. Живые организмы – та геохимическая сила, которая играет ведущую роль в формировании облика нашей планеты.

В ходе геологической эволюции воздействие живого вещества на косное только возрастает, что выражается, как пишет В.И. Вернадский, «в непрерывном биогенном токе атомов из живого вещества в косное вещество биосферы и обратно». Русский ученый подчеркивал целостность и гармоничность биосферы: «Можно говорить о всей жизни, о всем живом веществе как о едином целом в механизме биосферы^ все учитывается и все приспособляется с той же точностью, с той же механичностью и с тем же подчинением мере и гармонии, какую мы видим в стройных движениях небесных светил и начинаем видеть в системах атомов вещества и атомов энергии».

Человечество наряду с растениями и животными является частью живого вещества. Однако в отличие от других элементов биосферы человечество оказывает интенсивное влияние не только на неживую материю, но и на само живое вещество, создавая новые виды растений и животных. С появлением на нашей планете одаренного разумом живого существа, писал В.И. Вернадский, планета вступает в качественно новую стадию своей истории. Ступень развития биосферы, связанная с появлением человека, называется ноосферой. Слово «ноосфера» происходит от греческого noos – разум. Понятие ноосферы введено французским ученым Э. Леруа в 1927 г. Ноосфера – это сфера разума, сфера взаимодействия человека и природы, в которой главным фактором эволюции выступает разумная деятельность.