3.7. Круговорот веществ в биосфере

Основой самоподдержания жизни на Земле являются биогеохимические круговороты. Все химические элементы, используемые в процессах жизнедеятельности организмов, со­вершают постоянные перемещения, переходя из живых тел в соединения неживой природы и обратно. Возможность много­кратного использования одних и тех же атомов делает жизнь на Земле практически вечной при условии постоянного прито­ка нужного количества энергии.

Типы круговоротов веществ. Биосфера Земли характеризу­ется определенным образом сложившимися круговоротом ве­ществ и потоком энергии. Круговорот веществ – многократ­ное участие веществ в процессах, протекающих в атмосфере, гидросфере и литосфере, в том числе в тех слоях, которые входят в состав биосферы Земли. Круговорот веществ осуществляется при непрерывном поступлении (потоке) внешней энергии Солнца и внутренней энергии Земли.

В зависимости от движущей силы, с определенной долей условности, внутри круговорота веществ можно выделить гео­логический, биологический и антропогенный круговороты. До возникновения человека на Земле осуществлялись только пер­вые два.

Геологический круговорот (большой круговорот веществ в при­роде) – круговорот веществ, движущей силой которого явля­ются экзогенные и эндогенные геологические процессы.

Эндогенные процессы (процессы внутренней динамики) про­исходят под влиянием внутренней энергии Земли. Это энер­гия, выделяющаяся в результате радиоактивного распада, хи­мических реакций образования минералов, кристаллизации горных пород и т. д. К эндогенным процессам относятся: тек­тонические движения, землетрясения, магматизм, метамор­физм. Экзогенные процессы (процессы внешней динамики) про­текают под влиянием внешней энергии Солнца. Экзогенные процессы включают выветривание горных пород и минера­лов, удаление продуктов разрушения с одних участков земной коры и перенос их на новые участки, отложение и накопле­ние продуктов разрушения с образованием осадочных пород. К экзогенным процессам относятся геологическая деятельность атмосферы, гидросферы (рек, временных водотоков, подзем­ных вод, морей и океанов, озер и болот, льда), а также живых организмов и человека.

Крупнейшие формы рельефа (материки и океанические впадины) и крупные формы (горы и равнины) образовались за счет эндогенных процессов, а средние и мелкие формы ре­льефа (речные долины, холмы, овраги, барханы и др.), нало­женные на более крупные формы, – за счет экзогенных про­цессов. Таким образом, эндогенные и экзогенные процессы противоположны по своему действию. Первые ведут к образо­ванию крупных форм рельефа, вторые – к их сглаживанию.

Магматические горные породы в результате выветривания преобразуются в осадочные. В подвижных зонах земной коры они погружаются вглубь Земли. Там под влиянием высоких температур и давлений они переплавляются и образуют маг­му, которая, поднимаясь на поверхность и застывая, образует магматические породы.

Таким образом, геологический круговорот веществ проте­кает без участия живых организмов и осуществляет перерасп­ределение вещества между биосферой и более глубокими сло­ями Земли.

Биологический (биогеохимический) круговорот (малый кру­говорот веществ в биосфере) – круговорот веществ, движущей силой которого является деятельность живых организмов. В отличие от большого геологического малый биогеохимичес­кий круговорот веществ совершается в пределах биосферы. Главным источником энергии круговорота является солнеч­ная радиация, которая порождает фотосинтез. В экосистеме органические вещества синтезируются автотрофами из неорганических веществ. Затем они потребляются гетеротрофами. В результате выделения в процессе жизнедеятельности или после гибели организмов (как автотрофов, так и гетеротрофов) органические вещества подвергаются минерализации, то есть превращению в неорганические вещества. Эти неоргани­ческие вещества могут быть вновь использованы для синтеза автотрофами органических веществ.

В биогеохимических круговоротах следует различать две части:

1) резервный фонд – это часть вещества, не связанная с жи­выми организмами;

2) обменный фонд – значительно меньшая часть вещества, которая связана прямым обменом между организмами и их непосредственным окружением. В зависимости от расположения резервного фонда биогео­химические круговороты можно разделить на два типа:

1) Круговороты газового типа с резервным фондом веществ в атмосфере и гидросфере (круговороты углерода, кис­лорода, азота).

2) Круговороты осадочного типа с резервным фондом в зем­ной коре (круговороты фосфора, кальция, железа и др.).

Круговороты газового типа более совершенны, так как обладают большим обменным фондом, а значит, способны к быстрой саморегуляции. Круговороты осадочного типа менее совершенны, они более инертны, так как основная масса ве­щества содержится в резервном фонде земной коры в «недо­ступном» живым организмам виде. Такие круговороты легко нарушаются от различного рода воздействий, и часть обмени­ваемого материала выходит из круговорота. Возвратиться опять в круговорот она может лишь в результате геологических про­цессов или путем извлечения живым веществом. Однако из­влечь нужные живым организмам вещества из земной коры гораздо сложнее, чем из атмосферы.

Интенсивность биологического круговорота в первую оче­редь определяется температурой окружающей среды и коли­чеством воды. Так, например, биологический круговорот ин­тенсивнее протекает во влажных тропических лесах, чем в тундре.

С появлением человека возник антропогенный круговорот, или обмен, веществ. Антропогенный круговорот (обмен) – круговорот (обмен) веществ, движущей силой которого яв­ляется деятельность человека. В нем можно выделить две со­ставляющие: биологическую, связанную с функционировани­ем человека как живого организма, и техническую, связан­ную с хозяйственной деятельностью людей (техногенный кру­говорот).

Геологический и биологический круговороты в значитель­ной степени замкнуты, чего нельзя сказать об антропогенном круговороте. Поэтому часто говорят не об антропогенном кру­говороте, а об антропогенном обмене веществ. Незамкнутость антропогенного круговорота веществ приводит к истощению природных ресурсов и загрязнению природной среды – основным причинам всех экологических проблем человечества.

Круговороты основных биогенных веществ и элементов. Рас­смотрим круговороты наиболее значимых для живых орга­низмов веществ и элементов. Круговорот воды относится к большому геологическому, а круговороты био­генных элементов (углерода, кислорода, азота, фосфора, серы и других биогенных элементов) – к малому биогеохимичес­кому.

Круговорот воды между сушей и океаном через атмосферу относится к большому геологическому круговороту. Вода ис­паряется с поверхности Мирового океана и либо переносится на сушу, где выпадает в виде осадков, которые вновь возвра­щаются в океан в виде поверхностного и подземного стока, либо выпадает в виде осадков на поверхность океана. В круго­вороте воды на Земле ежегодно участвует более 500 тыс. км³ воды. Круговорот воды в целом играет основную роль в фор­мировании природных условий на нашей планете. С учетом транспирации воды растениями и поглощения ее в биогеохи­мическом цикле весь запас воды на Земле распадается и вос­станавливается за 2 млн. лет.

Круговорот углерода. Продуценты улавливают углекислый газ из атмосферы и переводят его в органические вещества, консументы поглощают углерод в виде органических веществ с телами продуцентов и консументов низших порядков, редуценты минерализуют органические вещества и возвращают углерод в атмосферу в виде углекислого газа. В Мировом оке­ане круговорот углерода усложнен тем, что часть углерода, содержащегося в мертвых организмах, опускается на дно и накапливается в осадочных породах. Эта часть углерода вык­лючается из биологического круговорота и поступает в геоло­гический круговорот веществ.

Главным резервуаром биологически связанного углерода являются леса, они содержат до 500 млрд. т этого элемента, что составляет 2/3 его запаса в атмосфере. Вмешательство челове­ка в круговорот углерода (сжигание угля, нефти, газа, дегумификация) приводит к возрастанию содержания СО₂ в атмос­фере и развитию парникового эффекта.

Скорость круговорота СО₂, то есть время, за которое весь углекислый газ атмосферы проходит через живое вещество, составляет около 300 лет.

Круговорот кислорода. Главным образом круговорот кисло­рода происходит между атмосферой и живыми организмами. В основном свободный кислород (0^) поступает в атмосферу в результате фотосинтеза зеленых растений, а потребляется в процессе дыхания животными, растениями и микроорганиз­мами и при минерализации органических остатков. Незначи­тельное количество кислорода образуется из воды и озона под воздействием ультрафиолетовой радиации. Большое количе­ство кислорода расходуется на окислительные процессы в зем­ной коре, при извержении вулканов и т.д. Основная доля кис­лорода продуцируется растениями суши – почти 3/4, осталь­ная часть – фотосинтезирующими организмами Мирового океана. Скорость круговорота – около 2 тыс. лет.

Установлено, что на промышленные и бытовые нужды еже­годно расходуется 23% кислорода, который образуется в про­цессе фотосинтеза, и эта цифра постоянно возрастает.

Круговорот азота. Запас азота (N₂) в атмосфере огромен (78% от ее объема). Однако растения поглощать свободный азот не могут, а только в связанной форме, в основном в виде NН₄⁺ или NО₃^–. Свободный азот из атмосферы связывают азотфиксирующие бактерии и переводят его в доступные растени­ям формы. В растениях азот закрепляется в органическом ве­ществе (в белках, нуклеиновых кислотах и пр.) и передается по цепям питания. После отмирания живых организмов реду­центы минерализуют органические вещества и превращают их в аммонийные соединения, нитраты, нитриты, а также в сво­бодный азот, который возвращается в атмосферу.

Нитраты и нитриты хорошо растворимы в воде и могут миг­рировать в подземные воды и растения и передаваться по пи­щевым цепям. Если их количество излишне велико, что часто наблюдается при неправильном применении азотных удобре­ний, то происходит загрязнение вод и продуктов питания, и вызывает заболевания человека.

Круговорот фосфора. Основная масса фосфора содержится в горных породах, образовавшихся в прошлые геологические эпохи. В биогеохимический круговорот фосфор включается в результате процессов выветривания горных пород. В наземных экосистемах растения извлекают фосфор из почвы (в основном в форме РО₄^3–) и включают его в состав органических соединений (белков, нуклеиновых кислот, фосфолипидов и др.) или оставляют в неорганической форме. Да­лее фосфор передается по цепям питания. После отмирания живых организмов и с их выделениями фосфор возвращается в почву.

При неправильном применении фосфорных удобрений, водной и ветровой эрозии почв большие количества фосфора удаляются из почвы. С одной стороны, это приводит к пере­расходу фосфорных удобрений и истощению запасов фосфор­содержащих руд (фосфоритов, апатитов и др.). С другой сто­роны, поступление из почвы в водоемы больших количеств таких биогенных элементов, как фосфор, азот, сера и др., вы­зывает бурное развитие цианобактерий и других вод­ных растений («цветение» воды) и эвтрофикацию водоемов. Но большая часть фосфора уносится в море.

В водных экосистемах фосфор усваивается фитопланкто­ном и передается по трофической цепи вплоть до морских птиц. Их экскременты либо сразу попадают назад в море, либо сначала накапливаются на берегу, а затем все рав­но смываются в море. Из отмирающих морских животных, особенно рыб, фосфор снова попадает в море и в круговорот, но часть скелетов рыб достигает больших глубин, и заключен­ный в них фосфор снова попадает в осадочные породы, то есть выключается из биогеохимического круговорота.

Круговорот серы. Основной резервный фонд серы находит­ся в отложениях и почве, но в отличие от фосфора имеется резервный фонд и в атмосфере. Главная роль в вовлечении серы в биогеохимический круговорот принадлежит микроор­ганизмам. Одни из них восстановители, другие – окислители.

В горных породах сера встречается в виде сульфидов (FeS₂ и др.), в растворах – в форме иона (SO₄^2–), в газообразной фазе в виде сероводорода (Н₂S) или сернистого газа (SО₂). В некоторых организмах сера накапливается в чистом виде и при их отмирании на дне морей образуются залежи само­родной серы.

По содержанию в морской среде Сульфат-ион занимает вто­рое место после хлора и является основной доступной формой серы, которая потребляется автотрофами и включается в состав белков.

В наземных экосистемах сера поступает в растения из по­чвы в основном в виде сульфатов. В живых организмах сера содержится в белках, в виде ионов и т.д. После гибели живых организмов часть серы восстанавливается в почве микроорга­низмами до Н₂S, другая часть окисляется до сульфатов и вновь включается в круговорот. Образовавшийся сероводород уле­тучивается в атмосферу, там окисляется и возвращается в по­чву с осадками.

Сжигание человеком ископаемого топлива (особенно угля), а также выбросы химической промышленности, приводят к накоплению в атмосфере сернистого газа (SO₂), который реа­гируя с парами воды, выпадает на землю в виде кислотных дождей.

Биогеохимические циклы не столь масштабны как геоло­гические и в значительно степени подвержены влиянию чело­века. Хозяйственная деятельность нарушает их замкнутость, они становятся ацикличными.