2.2. Круговорот веществ и энергии в природе

Известно, что все вещества в биосфере планеты Земля нахо­дятся в процессе биохимического круговорота.

Выделяют два основных круговорота: большой (геологиче­ский) и малый (биотический).

Большой круговорот длится миллионы лет. Горные породы непрерывно разрушаются, выветриваются, растворяются и пото­ками вод сносятся в Мировой океан. Здесь образуются мощные морские напластования. При этом часть химических соединений растворяется в воде или потребляется биоценозом.

Процессы, связанные с опусканием материков и поднятием морского дна, перемещением морей и океанов в течение дли­тельного времени, называемые геоктоническими, приводят к возвращению морских напластований на сушу, и это действие начинается вновь.

Малый круговорот, являясь частью большого, происходит на уровне биогеоценоза и заключается в том, что питательные ве­щества, содержащиеся в почве, воде и атмосфере, аккумулиру­ются в растениях, расходуются на создание их массы и жизнен­ные процессы в них. Малый круговорот длится сотни лет. Здесь органические вещества под воздействием бактерий разлагаются, распадаются и расщепляются до минеральных компонентов, доступных для питания другим растениям.

Таким образом, они вновь вовлекаются в круговоротный по­ток веществ в природе (биосфере).

Возврат химических веществ из неорганической среды через растительные и животные организмы обратно в неорганическую среду с использованием солнечной энергии и химических реак­ций называют биохимическим циклом. В этом круговороте ве­ществ участвуют три группы организмов: продуценты, консумен-ты и редуценты.

Продуценты (производители) — автотрофные организмы и растения, которые, используя солнечную энергию, создают пер­вичную продукцию живого вещества. Они потребляют углекис­лый газ СО₂, воду Н₂О, соли и выделяют кислород О₂. К этой группе также принадлежат некоторые бактерии (хемосептики), способные создавать органическое вещество.

Консументы (потребители) — гетеротрофные организмы, пи­тающиеся за счёт автотрофных организмов и друг друга. В свою очередь они подразделяются на консументы первого (раститель­ноядные), второго (хищники), третьего и четвертого (сверхпара­зиты) порядка.

Редуценты (восстановители) — организмы, питающиеся други­ми (мертвыми) организмами, бактериями и грибами. Здесь особо велика роль микроорганизмов, до конца разрушающих органиче­ские остатки и превращающие их в конечные продукты: мине­ральные соли, углекислый газ, воду, простейшие органические ве­щества, поступающие в почву и вновь потребляемые растениями.

Следует отметить, что в результате фотосинтеза на земной суше ежегодно образуется от 1,5 до 5,5 млрд. т растительной био­массы, в которой заключено около 4,6 • 10¹⁸ кДж солнечной энер­гии. Весь прирост живого вещества на Земле составляет около 88 млрд. т в год. При этом общая масса живого вещества включает в себя около 500 тыс. различных видов растений и около 2 млн. видов животных [18].

Скорость образования биологического вещества (биомассы), или образование массы вещества в единицу времени, называют продуктивностью экосистемы. Биологические продуктивности суши и океана примерно равны, так как биомасса океана состоит в основном из одноклеточных водорослей, которые обновляются ежегодно. Обновление биомассы суши происходит в течение 15 лет.

Круговорот энергии на Земле связан с круговоротом веществ. На уровне химических элементов и их содержаний наиболее ярко в биосфере проявляется круговорот углерода С как наиболее актив­ного химического элемента, соединения которого непрерывно об­разуются, изменяются и разрушаются. Основной путь углерода — от углекислого газа в живое вещество и обратно в газ.

Часть углерода выходит из круговорота, оседая в осадочных породах океана или в ископаемых горючих веществах органиче­ского происхождения (торф, каменный уголь, нефть, горючие га­зы), где уже аккумулирована его основная масса. И тогда этот угле­род принимает участие в медленном геологическом круговороте. Обмен углекислым газом происходит также между атмосфе­рой и океаном. В верхних слоях океана растворено большое ко­личество углекислого газа, который находится в равновесии с атмосферным. Всего в гидросфере содержится около 13 • 10¹³т растворённого углекислого газа, а в атмосфере — в 60 раз меньше.

Важную роль в биосферных процессах играет круговорот азота N. В них участвует только азот, входящий в определённые химические соединения. Общее время оборота азота в большом круговороте оценивается более чем в 100 лет.

Фиксация азота в химических соединениях происходит при вулканической деятельности, при грозовых разрядах в атмосфе­ре, в процессе её ионизации, при сгорании материалов. Опреде­ляющее значение в его фиксации имеют микроорганизмы.

Соединения азота (нитраты, нитриты) в растворах поступают в растения, участвуя в образовании органического вещества (аминокислоты, сложные белки). Часть соединений азота выно­сится в реки и моря, проникает в подземные воды. Из соедине­ний, растворённых в морской воде, азот поглощается водными организмами, а после их отмирания вновь возвращается в воды океана. Поэтому концентрация азота в верхних слоях океана за­метно возрастает.

Одним из важнейших элементов биосферы является фосфор F, входящий в состав нуклеиновых кислот, клеточных мембран, костной ткани. Фосфор также участвует в малом и большом кру­говоротах, усваивается растениями. В воде фосфаты натрия и кальция растворяются плохо, а в щелочной среде они практиче­ски не растворимы.

Ключевым элементом биосферы является вода Н₂О. Круго­ворот воды происходит путём испарения её с поверхности водо­ёмов и суши в атмосферу, а затем переносится воздушным мас­сами, конденсируется и выпадает в виде осадков (рис. 1).

Средняя продолжительность общего цикла обмена углерода, азота и воды, вовлечённых в биологический круговорот, состав­ляет 300—400 лет. В соответствии с этой скоростью освобождают­ся минеральные соединения, связанные с биомассой.

Известно, что различные вещества имеют разную скорость обмена в биосфере. К подвижным веществам относят хлор, серу, бром, фтор. К пассивным - кремний, калий, фосфор, медь, ни­кель, алюминий и железо. Круговорот всех биогенных элементов происходит на уровне биогеоценоза. От того, насколько регуляр­но и полно осуществляется круговорот химических элементов, зависит продуктивность биогеоценоза.

Скорость биоценных элементов в малом круговороте доста­точно велика. Так, например, время оборота атмосферного угле­рода в малом круговороте составляет около 8 лет, а в большом -400 лет.