Биогеохимические круговороты основных химических элементов
Введение
Возникновение на Земле живой материи обусловило возможность
беспрерывной циркуляции в биосфере химических элементов, перехода их из внешней
среды в организмы и обратно. Эта циркуляция химических элементов и получила
название биогеохимических круговоротов. Биогеохимический круговорот
представляет
собой часть биотического круговорота, включающую обменные циклы химических
элементов абиотического происхождения, без которых не может существовать живое
вещество (углерод, кислород, водород, азот, фосфор, сера и многие другие).
Обычно выделяют три основных типа биогеохимических круговоротов: круговорот
воды, круговороты газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере или
гидросфере (океан), осадочные циклы химических элементов с резервным фондом в
земной коре.
Круговорот воды
Вода - основной элемент, необходимый для жизни. В количественном отношении это наиболее распространенная неорганическая составляющая живой материи.
В океанах сосредоточено 97 % общей массы воды биосферы. Предполагают, что суммарное испарение уравновешивается выпадением осадков. Из океана испаряется больше воды, чем поступает в него с осадками, на суше - наоборот. «Лишние» осадки, выпадающие на суше, попадают в ледяные шапки и ледники, пополняют грунтовые воды (оттуда растения черпают воду для транспирации), наконец, оказываются в озерах и реках, возвращаясь постепенно со стоком в океан. В основном круговорот воды происходит между атмосферой и океаном.
Наличие в атмосфере значительного резервного фонда
благоприятствует тому, что круговороты некоторых газообразных веществ способны
к достаточно быстрой саморегуляции при различных локальных нарушениях
равновесия. Так, избыток диоксида углерода, накопившегося где-либо в результате
усиленного окисления или горения, быстро рассеивается ветром; кроме того,
интенсивное образование диоксида углерода компенсируется большим его
потреблением растениями или превращением в карбонаты. В конечном итоге в
результате саморегуляции по типу отрицательной обратной связи круговороты
газообразных веществ в глобальном масштабе относительно совершенны. Основными
такими циклами являются круговороты углерода (в составе диоксида углерода),
азота, кислорода, фосфора, серы и других биогенных элементов.
Круговорот углерода
На суше он начинается с фиксации диоксида углерода растениями в процессе фотосинтеза с образованием органических веществ и побочным выделением кислорода. Часть связанного углерода выделяется во время дыхания растений в составе СО2
Почвенные грибы в зависимости от скорости роста выделяют от 200 до 2000 см 3 СО 2 на 1 г сухой массы. Немало диоксида углерода выделяют бактерии, которые в пересчете на живую массу дышат в 200 раз интенсивнее человека. Диоксид углерода выделяется также корнями растений и многочисленными живыми организмами. Микроорганизмы разлагают отжившие растения и погибших животных, в результате чего углерод мертвого органического вещества окисляется до диоксида углерода и снова попадает в атмосферу.
Между сушей и Мировым океаном постоянно идут процессы миграции углерода, в которых преобладает вынос его в форме карбонатных и органических соединений с суши в океан. Из Мирового океана на сушу углерод поступает в незначительных количествах в форме СО2, выделяемого в атмосферу. Углекислый газ атмосферы и гидросферы обменивается и обновляется живыми организмами за 395 лет.
Круговорот азота
Так же, как круговорот углерода и другие круговороты, охватывает все области биосферы. В круговороте соединений азота ключевое значение принадлежит микроорганизмам: азотфиксаторам, нитрификаторам и денитрификаторам. Другие же организмы оказывают влияние на круговорот азота лишь после того, как он войдет в состав их клеток. Как известно, бобовые и представители некоторых родов других сосудистых растений (например, ольха, араукария, лох) фиксируют азот с помощью бактерий-симбионтов. То же наблюдается и у некоторых лишайников, фиксирующих азот с помощью симбиотических сине-зеленых водорослей. Очевидно, что биологическая фиксация молекулярного азота свободноживущими и симбиотическими организмами происходит и в автотрофном, и в гетеротрофном звеньях экосистем.
Из огромного запаса азота в атмосфере и осадочной оболочке литосферы в круговороте его участвует только фиксированный азот, усваиваемый живыми организмами суши и океана. В категорию обменного фонда этого элемента входят: азот годичной продукции биомассы, азот биологической фиксации бактериями и другими организмами, ювенильный (вулканогенный) азот, атмосферный (фиксированный при грозах) и техногенный
Нетрудно заметить, что, за исключением растительности тундры, где содержание азота и зольных элементов примерно одинаково, в растительности почти всех других типов масса азота в 2... 3 раза меньше массы зольных элементов. Количество элементов, оборачивающихся в течение года (т.е. емкость биологического круговорота), наибольшее в тропических лесах, затем в черноземных степях и широколиственных лесах умеренного пояса (дубравах).
Круговорот кислорода
В круговороте кислорода отчетливо выражены активная геохимическая деятельность живого вещества, его первостепенная роль в этом процессе. Биогеохимический цикл кислорода является планетарным процессом, который связывает атмосферу и гидросферу с земной корой. Ключевые звенья этого круговорота: образование свободного кислорода при фотосинтезе в зеленых растениях, потребление его для осуществления дыхательных функций всеми живыми организмами, для реакции окисления органических остатков и неорганических веществ (например, сжигания топлива) и другие химические преобразования, ведущие к образованию таких окисленных соединений, как диоксид углерода и вода, и последующему вовлечению их в новый цикл фотосинтетических превращений.
Следует также учитывать использование кислорода для процесса горения И других видов антропогенной деятельности. Предполагается, что в обозримой перспективе ежегодное суммарное потребление кислорода достигнет 210...230 млрд. т. Между тем ежегодное продуцирование этого газа всей фитосферой составляет 240 млрд. т.
Круговорот фосфора
Кларк этого элемента в земной коре равен 0,093 %, что в несколько десятков раз больше кларка азота. Однако в отличие от последнего фосфор не играет роли одного из главных элементов оболочек Земли. Тем не менее геохимический цикл фосфора включает разнообразные пути миграции в земной коре, интенсивный биологический круговорот и миграцию в гидросфере. Фосфор - один из главных органогенных элементов. Его органические соединения играют важную роль в процессах жизнедеятельности всех растений и животных, входят в состав нуклеиновых кислот, сложных белков, фосфолипидов мембран, являются основой биоэнергетических процессов. Фосфор концентрируется живым веществом, где его содержание почти в 10 раз выше, чем в земной коре. На суше протекает интенсивный круговорот фосфора в системе почва-растения-животные-почва.
В биосфере сформировался достаточно развитый процесс циклических преобразований серы и ее соединений. Выделяются резервные фонды этого элемента в почве и отложениях (довольно обширные), а также в атмосфере (небольшие). В обменном фонде серы основная роль принадлежит специализированным микроорганизмам, одни виды которых выполняют реакцию окисления, другие - восстановления. На круговоротах азота и серы все больше сказывается промышленное загрязнение воздуха. Сжигание ископаемого топлива существенно увеличивает поступление в атмосферу (и. разумеется, содержание в ней) летучих окислов азота (NО и NО2,) и серы (SO2), особенно в городах. Нынешняя концентрация этих ингредиентов уже становится опасной для биотических компонентов экосистем.
Круговорот калия
Калий, как известно, принимает участие в процессах фотосинтеза, оказывает влияние на углеводный, азотный и фосфорный обмен, существенным образом сказывается на осмотических свойствах клеток. Он концентрируется в плодах и семенах, в интенсивно растущих тканях и органах растений.
Пока что малоизученным остается круговорот калия в водной среде. Каждый год с водным стоком в Мировой океан поступает около 90 млн т этого элемента. Какая-то часть поглощается водными организмами, но значительное количество нигде не фиксируется, и последующее его перемещение неизвестно.
Важной составной частью круговоротов является ионный и твердый сток. Круговорот химических элементов проходит, как правило, сразу в нескольких сопредельных оболочках Земли (атмосфере и гидросфере, гидросфере и педосфере) либо во всех трех геосферах одновременно. Надежность и постоянство осуществления круговоротов обеспечиваются регулярным обменом веществ и энергией между геосферами. Такого рода направленная связь наглядно проявляется на примере ионного стока, представляющего собой процесс выноса реками с суши химических элементов в ионном растворенном состоянии в Мировой океан. Поступившие в ионной форме химические элементы, как и на суше, в водной среде подвергаются воздействию живых организмов, продолжая круговорот. Миграция химических элементов в растворенном состоянии представляет собой гигантский планетарный процесс.
Твердое вещество поверхности Земли не остается неподвижным. Оно также участвует в миграции, перемещаясь поверхностными водами суши. Поверхностные воды наряду с элементами, мигрирующими в растворенном состоянии или с коллоидными частицами, переносят огромные массы обломков горных порол и минералов, называемые твердым стоком (по аналогии со стоком воды). Значительная часть твердого стока перемещается в пределах суши, но и объемы, попадающие в моря, достаточно велики. В Мировой океан с континентов поступает каждый год 22,13 млрд т обломочного и глинистого материала, что примерно в 7 раз превышает количество выносимых растворенных веществ.
Биотехносфера и ноосфера
Своеобразие биогеохимических циклов миграции. Биосфера - не только идеально организованная система, но своеобразный «механизм», в котором связь и соотношение между живым и косным веществом подчиняются строгим закономерностям, таким же непреложным, как законы движения небесных светил. Геохимически эти функции жизни осуществляются благодаря размножению организмов. Живое вещество преодолевает сопротивление среды, стремиться распространиться на свободную территорию.
Скорость размножения - это скорость передачи в биосфере геохимической энергии. Она зависит не только от астрономических параметров, но и от скорости распространения солнечно луча в среде, от размеров организмов, от заключенной в них геохимической энергии.
Существенная особенность живого вещества - его отличие от «косной» среды по пространственным и временным характеристикам. Живому веществу соответствуют особые, только ему присущие пространство и время.
Время индивидуального бытия живых организмов связано с неуклонно
идущим процессом старения и смертью, имеющими положительное значение для
эволюционного процесса, поскольку недолговечность живых существ обеспечивает не
только длительный и непрерывный круговорот биогенного материала, но и
значительную изменчивость морфологических форм.
Воздействие человека на биосферу
С ростом масштабов использования природных ресурсов, обусловленных промышленной революцией, антропогенное влияние на биосферу и ее компоненты объективно увеличивается. Закономерный и многосторонний процесс роста производительных сил существеннейшим образом расширил спектр воздействия человека на природу (в том числе и негативного). Вернадский отмечал, что производственная деятельность человека приобретает масштабы, сравнимые с геологическими преобразованиями. Так, к сведению лесов, распашке целинных земель, эрозии и засолению почв, снижению биоразнообразия добавились новые постоянно действующие механические и физико-химические факторы, усугубляющие экологический риск.
Человек эксплуатирует уже более 55 % суши, использует около 13 % речных вод, скорость сведения лесов достигает 18 млн. га в год.
Воздействие на биосферу сводится к четырем главным формам:
Изменение структуры земной поверхности (распашка степей, вырубка лесов, мелиорация, создание искусственных озер и морей, другие изменения режима поверхностных вод и т. д.):
Изменения состава биосферы, круговорота и баланса слагающих ее веществ (изъятие полезных ископаемых, образование отвалов, выброс различных веществ в атмосферу и в водные объекты, изменение влагооборота);
Изменение энергетического, в частности теплового, баланса отдельных районов земного шара, опасное для всей планеты;
Изменения, вносимые в биоту (совокупность живых организмов) в результате истребления некоторых видов, создания новых пород животных и сортов растений, перемещения их на новые места обитания.
Рассматривая роль человека в эволюции биосферы, характеризуют нарушение человеком основных принципов естественного устройства биосферы.
2. Биогеохимичсские цыклы биогенных элементов, участвующих в природных круговоротах, отработаны эволюционно и не приводят к накоплению отходов. Человек же использует вещество планеты крайне неэффективно; при этом образуется огромное количество отходов, многие из которых переводятся из пассивной формы, в которой они находились в природной среде, в активную, токсичную форму. В результате биосфера «обогащается» несвойственными ей соединениями, т.е. нарушается естественное соотношение химических элементов и веществ.
3. При огромном многообразии видов конкурентные и хищнические отношения между ними способствуют установлению биологического равновесия. Путь человечества, к сожалению, отмечен гибелью многих представителей флоры и фауны. По некоторым данным, на Земле исчезает ежедневно один биологический вид.
4. Деятельность людей привела к нарушению популяционной стабильности. Растет количество сопутствующих человеку видов (крыс, тараканов и т. д.), а численность многих других популяций, напротив, сокращается, причем иногда в катастрофических размерах, что ставит вид под угрозу полного исчезновения.
5. Расширяя хозяйственную деятельность, люди в короткие сроки меняют параметры экологических факторов; многие виды не успевают приспособиться к таким быстрым изменениям.
Комплекс антропогенных факторов, влияющих на состояние биосферы,
на здоровье населения, исключительно разнообразен.
Биотехносфера
Биотехносфера - это область пашей планеты, в которой существуют живое вещество и созданные человеком урбано-технические объекты и где проявляются их взаимодействие и влияние на внешнюю среду. Биотехносфера - сложный конгломерат многих подсистем, которыми управляет человек. Эти подсистемы не аккумулируют, а расходуют энергию, биомассу и кислород биосферы.
Биотехносфера и составляющие ее техногенные подсистемы расположены в биосфере, но они не обладают большинством свойств и функций, которые присущи природным экосистемам.
Пока существует человечество, биотехносфера будет развиваться. Но бнотехносфера
должна пребывать в состоянии экологического самообеспечения, согласованного с
законами природы и удовлетворяющего нуждам человеческого общества. При этом
общество должно целенаправленно и разумно воздействовать на силы природы.
Ноосфера
Ноосфера - высшая стадия развития биосферы, характеризующаяся сохранением всех естественных закономерностей, присущих биосфере (при высоком уровне развития производительных сил, научной организации воздействия общества на природу), максимальными возможностями общества удовлетворять материальные и культурные потребности человека.
Ноосфера-это новое состояние биосферы, основанное на универсальной связи природы и общества, когда дальнейшая эволюция планеты Земли сделается направляемой разумом.
Необходимость перевода биосферы в ноосферу он рассматривает в качестве гаранта выживания современного человека.
Переход к ноосфере - это непростой и небыстрый процесс выработки принципов согласованных действии, нового поведения людей, смена стандартов, перестройка всего бытия. Человечество должно приступить к разумному регулированию своей численности и существенно снизить негативное давление на природу, а в последующем разработать глубоко обоснованные технологии построения ноосферы на базе сохранения биосферы как обязательного условия жизни.
Между литосферой, гидросферой, атмосферой и живыми организмами Земли постоянно происходит обмен химическими элементами. Этот процесс имеет циклический характер: переместившись из одной сферы в другую, элементы вновь возвращаются в первоначальное состояние. Круговорот элементов имел место в течение всей истории Земли, насчитывающей 4,5 млрд. лет.
Гигантские массы химических веществ переносятся водами Мирового океана. В первую очередь это относится к растворенным газам - диоксиду углерода, кислороду, азоту. Холодная вода высоких широт растворяет газы атмосферы. Поступая с океаническими течениями в тропический пояс, она их выделяет, так как растворимость газов при нагревании уменьшается. Поглощение и выделение газов происходит также при смене теплых и холодных сезонов года.
Огромное влияние на природные циклы некоторых элементов оказало появление жизни на планете. Это, в первую очередь, относится к круговороту главных элементов органического вещества - углерода, водорода и кислорода, а также таких жизненно важных элементов как азот, сера и фосфор. Живые организмы оказывают влияние и на круговорот многих металлических элементов. Несмотря на то, что суммарная масса живых организмов Земли меньше массы земной коры в миллионы раз, растения и животные играют важнейшую роль в перемещении химических элементов.
Деятельность человека также оказывает влияние на круговорот элементов. Особенно заметным оно стало в последнее столетие. При рассмотрении химических аспектов глобальных изменений в круговоротах химических элементов следует учитывать не только изменения в природных круговоротах за счет добавления или удаления присутствующих в них химических веществ в результате обычных циклических или вызванных человеком воздействий, но и поступление в окружающую среду химических веществ, ранее не существовавших в природе. Рассмотрим один из наиболее важных примеров циклического перемещения и миграции химических элементов.
Углерод - основной элемент жизни - содержится в атмосфере в виде диоксида углерода. В океане и пресных водах Земли углерод находится в двух главных формах: в составе органического вещества и в составе взаимосвязанных неорганических частиц: гидрокарбонат-иона - , карбонат иона и растворенного диоксида углерода . Большое количество углерода сосредоточено в виде органических соединений в животных и растениях. Много "неживого" органического вещества имеется в почве. Углерод литосферы содержится также в карбонатных минералах (известняк, доломит, мел, мрамор). Часть углерода входит в состав нефти, каменного угля и природного газа.
Связующим звеном в природном круговороте углерода является диоксид углерода (рис. 1).
Упрощенная схема глобального цикла углерода. Числа в рамках отражают размеры резервуаров в миллиардах тонн - гигатоннах (Гт). Стрелки показывают потоки, а связанные с ними числа выражены в Гт/год.
Самыми крупными резервуарами углерода являются морские отложения и осадочные породы на суше. Однако большая часть этого вещества не взаимодействует с атмосферой, а подвергается круговороту через твердую часть Земли в геологических временных масштабах. Поэтому эти резервуары играют лишь второстепенную роль в сравнительно быстром цикле углерода, протекающем с участием атмосферы. Следующим по величине резервуаром является морская вода. Но и здесь глубинная часть океанов, где содержится основное количество углерода, не взаимодействует с атмосферой так быстро, как их поверхность. Самыми маленькими резервуарами являются биосфера суши и атмосфера. Именно небольшой размер последнего резервуара делает его чувствительным даже к незначительным изменениям процентного содержания углерода в других (больших) резервуарах, например, при сжигании ископаемых топлив.
Современный глобальный цикл углерода состоит из двух меньших циклов. Первый из них заключается в связывании диоксида углерода в ходе фотосинтеза и новом образовании его в процессе жизнедеятельности растений и животных, а также при разложении органических остатков. Второй цикл обусловлен взаимодействием диоксида углерода атмосферы и природных вод:
В последнее столетие в углеродный цикл существенные изменения внесла хозяйственная деятельность человека. Сжигание ископаемого топлива - угля, нефти и газа - привело к увеличению поступления диоксида углерода в атмосферу. Это не очень сильно влияет на распределение масс углерода между оболочками Земли, но может иметь серьезные последствия из-за усиления парникового эффекта.
Деятельность живых организмов в биосфере сопровождается извлечением из окружающей среды больших количеств минеральных веществ. После смерти организмов составляющие их химические элементы возвращаются в окружающую среду. Так возникает биогенный (с участием живых организмов) круговорот веществ в природе, т. е. циркуляция веществ между литосферой, атмосферой, гидросферой и живыми организмами. Под круговоротом веществ понимают повторяющийся процесс превращения и перемещения веществ в природе, имеющий более или менее выраженный циклический характер.
В круговороте веществ принимают участие все живые организмы, поглощающие из внешней среды одни вещества и выделяющие в нее другие. Так, растения потребляют из внешней среды углекислый газ, воду и минеральные соли и выделяют в нее кислород. Животные вдыхают кислород, выделенный растениями, а поедая их, усваивают синтезированные из воды и углекислого газа органические вещества и выделяют углекислый газ, воду и вещества непереваренной части пищи. При разложении бактериями и грибами отмерших растений и животных образуется дополнительное количество углекислого газа, а органические вещества превращаются в минеральные, которые попадают в почву и снова усваиваются растениями. Таким образом, атомы основных химических элементов постоянно совершают миграцию из одного организма в другой, из почвы, атмосферы и гидросферы - в живые организмы, а из них - в окружающую среду, пополняя таким образом неживое вещество биосферы. Эти процессы повторяются бесконечное число раз. Так, например, весь атмосферный кислород проходит через живое вещество за 2 тыс. лет, весь углекислый газ - за 200-300 лет.
Непрерывная циркуляция химических элементов в биосфере по более или менее замкнутым путям называется биогеохимическим циклом. Необходимость такой циркуляции объясняется ограниченностью их запасов на планете. Чтобы обеспечить бесконечность жизни, химические элементы должны совершать движение по кругу. Круговорот каждого химического элемента является частью общего грандиозного круговорота веществ на Земле, т. е. все круговороты тесно связаны между собой.
Круговорот веществ, как и все происходящие в природе процессы, требует постоянного притока энергии. Основой биогенного круговорота, обеспечивающего существование жизни, является солнечная энергия. Связанная в органических веществах энергия но ступеням пищевой цепи уменьшается, потому что большая ее часть поступает в окружающую среду в виде тепла или же тратится на осуществление процессов, происходящих в организмах, Поэтому в биосфере наблюдается поток энергии и ее преобразование. Таким образом, биосфера может быть устойчивой только при условии постоянного круговорота веществ и притока солнечной энергии.
"Круговорот
в природе."
Деятельность живых организмов сопровождается извле- чением из окружающей их неживой природы больших ко- личеств минеральных веществ. После смерти организмов составляющие их химические элементы возвращаются в окружающую среду. Так возникает биогенный круговорот веществ в природе, т.е. циркуляция веществ между атмо- сферой, гидросферой, литосферой и живыми организмами.
Приведём некоторые примеры.
Круговорот воды. Под действием энергии Солнца вода
испаряется с поверхности водоёмов и воздушными течени- ями переносятся на большие расстояния. Выпадая на по-
верхность суши в виде осадков, она способствует разруше- нию горных пород и делает составляющие их минералы до-
ступными для растений, микроорганизмов и животных. Она
размывает верхний почвенный слой и уходит вместе с рас-
творёнными в ней химическими соединениями и взвешен-ными органическими и неорганическими частицами в моря и океаны. Циркуляция воды между океаном и сушей -
важнейшее звено в поддержании жизни на Земле.
Растения участвуют в круговороте воды двояким спо-собом: извлекают её из почвы и испаряют в атмосферу; часть воды в клетках растений расщепляется в процессе фотосинтеза. При этом водород фиксируется в виде органи-
ческих соединений, а кислород поступает в атмосферу.
Животные потребляют воду для поддержания осмоти-ческого и солевого равновесия в организме и выделяют её во внешнюю среду вместе с продуктами обмена веществ.
Круговорот углерода. Углерод поступает в биосферу в
результате фиксации его в процессе фотосинтеза. Коли-чество углерода, ежегодно связываемого растениями, оце-
нивается в 46 млрд. т. Часть его поступает в тело животных
и освобождается в результате дыхания в виде СО2, который
вновь поступает в атмосферу. Кроме того, запасы углерода
в атмосфере пополняются за счёт вулканической деятельно-сти и сжигания человеком горючих ископаемых. Хотя
основная часть поступающего в атмосферу диоксида угле-рода поглощается океаном и откладывается в виде карбона-
вышается.
- 2 -
Круговорот азота. Азот - один из основных биогенных
элементов - в громадных количествах содержится в атмо-сфере, где составляет 80% от общей массы её газообразных
компонентов. Однако в молекулярной форме он не может
использоваться ни высшими растениями, ни животными.
В форму, пригодную для использования, атмосферный азот
переводят электрические разряды (при которых образуются
оксиды азота, в соединении с водой дающие азотистую и азотную кислоты), азотфиксирующие бактерии и синезелё-ные водоросли. Одновременно образуется аммиак, который
другие хемосинтезирующие бактерии последовательно пере-
водят в нитриты и нитраты. Последние наиболее усвояемы для растений. Биологическая фиксация азота на суше со-
ставляет примерно 1 г/м 2 , а в плодородных областях дости-
гает 20 г/м 2 .
После отмирания организмов гнилостные бактерии раз-лагают азотсодержащие соединения до аммиака. Часть его
уходит в атмосферу, часть восстанавливается денитрифици-
рующими бактериями до молекулярного азота, но основная
масса окисляется до нитритов и нитратов и вновь использу-ется. Некоторое количество соединений азота оседает в глу-
боководных отложениях и надолго (миллионы лет) выклю-
чается из круговорота. Эти потери компенсируются поступ-
лением азота в атмосферу с вулканическими газами.
Круговорот серы. Сера входит в состав белков и также
представляет собой жизненно важный элемент. В виде со-
единений с металлами - сульфидов - она залегает в виде руд
на суше и входит в состав глубоководных отложений. В до-
ступную для усвоения растворимую форму эти соединения
переводятся хемосинтезирующими бактериями, способными
получать энергию путём окисления восстановленных соеди-
нений серы. В результате образуются сульфаты, которые
используются растениями. Глубоко залегающие сульфаты
вовлекаются в круговорот другой группой микроорганиз-мов, восстанавливающих сульфаты до сероводорода.
Круговорот фосфора. Резервуаром фосфора служат за-
лежи его соединений в горных породах. Вследствие вымыва-
ния он попадает в речные системы и частью используется растениями, а частью уносится в море, где оседает в глубо-
ководных отложениях. Кроме того, в мире ежегодно добы-
вается от 1 до 2 млн.т. фосфорсодержащих пород. Большая
часть этого фосфора также вымывается и исключается из
круговорота. Благодаря лову рыбы часть фосфора возвра-
щается на сушу в небольших размерах (около 60 тыс.т. эле-
ментарного фосфора в год).
Из приведённых примеров видно, какую значительную
роль в эволюции неживой природы играют живые орга-низмы. Их деятельность существенно влияет на формиро-вание состава атмосферы и земной коры. Большой вклад в
понимание взаимосвязей между живой и неживой природой
внёс выдающийся советский учёный В.И.Вернадский. Он
выявил геологическую роль живых организмов и показал,
что их деятельность представляет собой важнейший фактор
преобразования минеральных оболочек планеты.
Таким образом, живые организмы, испытывая на себе влияние факторов неживой природы, своей деятельностью
изменяют условия окружающей среды, т.е. среды своего обитания. Это приводит к изменению структуры всего сообщества - биоценоза.
Установлено, что азот, фосфор и калий могут оказывать наибольшее положительное влияние на урожаи культурных
растений, и потому эти три элемента в наибольших коли-чествах вносят в почву с удобрениями, применяемыми в сельском хозяйстве. Поэтому азот и фосфор оказались глав-
ной причиной ускоренной эвтрофизации озёр в странах с интенсивным земледелием. Эвтрофизация - это процесс обо-
гащения водоёмов питательными веществами. Она пред-
ставляет собой естественное явление в озёрах, так как реки
приносят питательные вещества с окружающих дренажных
площадей. Однако этот процесс обычно идёт очень медлен-но, в течение тысяч лет.
Неестественная эвтрофизация, ведущая к стремительному увеличению продуктивности озёр, происходит в результате стока с сельскохозяйственных угодий, которые могут быть обогащены питательными веществами удобрений.
Существуют также два других важных источника фосфора - сточные воды и моющие средства. Сточные воды, как в своём первоначальном виде, так и обработанные, обога-щены фосфатами. Бытовые детергенты содержат от 15% до 60% биологически разрушаемого фосфата. Кратко можно резюмировать, что эвтрофизация в конце концов приводит к истощению ресурсов кислорода и к гибели большинства жи-вых организмов в озёрах, а в крайних ситуациях - и в реках.
Организмы в экосистеме связаны общностью энергии и питательных веществ, и необходимо чётко разграничить эти
два понятия. Всю экосистему можно уподобить единому ме-
ханизму, потребляющему энергию и питательные вещества для совершения работы. Питательные вещества первона-чально происходят из абиотического компонента системы,
в который в конце концов и возвращаются либо в качестве
отходов жизнедеятельности, либо после гибели и разруше-ния организмов. Таким образом, в экосистеме происходит
постоянный круговорот питательных веществ, в котором
участвуют и живой и неживой компоненты. Такие кругово-роты называются биогеохимическими циклами.
Поток энергии и круговороты биогенных элементов в
экосистеме.
Энергия Биотический Тепловая
света компонент энергия
Солнце Биогенные
элементы
Абиотический
компонент
Поток энергии
Круговорот биогенных элементов
На глубине в десятки километров горные породы и ми-нералы подвергаются воздействию высоких давлений и тем-
ператур. В результате происходит метаморфизм (изменение) их структуры, минерального, а иногда и химического соста-
ва, что приводит к образованию метаморфических пород.
роды 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. Орга-низмы интенсивно поглощают химические элементы из поч-вы, 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 зам-кнут.
Часть элементов-"путешественников" уносится за его пределы с поверхностными и грунтовыми водами, часть - на разное время "выключается" из круговорота и задерживает-ся 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 эле-
менты поступают только с атмосферными осадками, а выно-сятся вниз и с водою, и под действием силы тяжести. Расход вещества преобладает над поступлением, о чём говорит са-мо название ландшафтов водоразделов - элювиальные.
На склонах жизнь химических элементов изменяется. Скорость их передвижения резко увеличивается, и они "про
езжают" склоны, как пассажиры, удобно устроившиеся в ку-пе поезда. Ландшафты склонов так и называются - транзит-ными.
"Отдохнуть" от дороги химическим элементам удаётся лишь в аккумулятивных (накапливающих) ландшафтах, рас-
положенных 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 эле-ментов вмешался человек. С начала ХХ столетия деятель-ность человека стала главным способом их путешествия. При добыче полезных ископаемых огромное количество веществ изымается из земной коры. Их промышленная пере
работка сопровождается выбросами химических элементов с отходами производства в атмосферу, воды, почвы. Это за-грязняет среду обитания живых организмов. На земле появ-ляются 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, безнравст-венной деятельности, показать ему на наглядном примере, к чему приводит нарушение распределения химических эле-ментов в земной коре и на её поверхности.
Репетиторство
Нужна помощь по изучению какой-либы темы?
Наши специалисты проконсультируют или окажут репетиторские услуги по интересующей вас тематике.
Отправь заявку
с указанием темы прямо сейчас, чтобы узнать о возможности получения консультации.
БИОГЕННЫЙ КРУГОВОРОТ
Рассмотрим играющие наибольшую роль в биосфере круговороты, к которым относятся биогеохимические циклы углерода, азота, кислорода, серы, фосфора.
Круговорот углерода. Источники углерода в природе столь же многочисленны, сколь и разнообразны. Между тем только углекислота, находящаяся либо в газообразном состоянии в атмосфере, либо в растворенном состоянии в воде, представляет собой тот источник углерода, который служит основой для переработки
его в органическое вещество живых существ. Поглощенная растениями в процессе фотосинтеза, она превращается в сахара, а в других процессах биосинтеза преобразуется в протеины, липиды и т.д. Эти различные вещества служат углеводным питанием животным и незеленым растениям. Животные-сапрофаги и микроорганизмы, обитающие в почве, превращают отмершие растения и останки животных в новое образование органической материи, более или менее мощный слой коричневой или черной массы - гумус. Скорость воздействия разлагающих организмов на гумус далеко не одинакова, а цепи грибов и бактерий, приводящие к окончательной минерализации углерода, бывают различной длины. Иногда цепь может быть короткой и неполной: органические остатки накапливаются в форме торфа и образуют торфяные болота. В некоторых болотах с мощным покровом из сфагновых мхов слой торфа может достигать 20 м и более. Здесь и приостанавливается круговорот углерода. Залежи ископаемых органических соединений в виде каменного угля и нефти свидетельствуют о стагнации круговорота в масштабах геологического времени (рис. 3).
В воде также происходит стагнация круговорота углерода, так как углекислота накапливается в форме СаСО 3 (мел, известняки или кораллы) химического или биогенного происхождения. Часто эти массы углерода остаются вне круговорота в течение целых геологических периодов, пока СаСО3 в виде горных цепей не поднимется над поверхностью моря. С этого момента начинается поступление углерода и кальция в круговорот вследствие выщелачивания известняка атмосферными осадками, под воздействием лишайников, а также корней цветковых растений. Деятельность человека играет большую роль в круговороте углерода. Человечество ежегодно расходует около 6 · 10 9 т углерода, находящегося в ископаемом состоянии. Если бы образующийся в результате сжигания углекислый газ не удалялся из атмосферы, ежегодный прирост его содержания в воздухе составил бы 2,3 млн т. За последние 100 лет содержание углекислого газа возросло с 290 до 320 млн т, причем более 1/5 этого прироста падает на последние десятилетия. Таким образом, общий прирост содержания углекислого газа в атмосфере составляет примерно лишь 1/3 количества газа, выделяющегося при сгорании (по абсолютной массе - 200 ·10 9 т). Остальная доля углекислого газа уходит на прирост растительной массы (поскольку известно, что растения растут быстрее, если содержание СО2 в атмосфере выше); часть его растворяется в водах океана. Хотя, по некоторым подсчетам, биомасса суши за последние 100 лет могла вырасти на 15 · 10 9 т, однако прямых доказательств этого нет.
Интенсивность деятельности человека все возрастает. Повышается год от года и скорость потребления горючих ископаемых. Через 15 лет содержание СО 2 в атмосфере увеличится с 320 до 375 -
400 млн т. Рост содержания СО 2 в атмосфере с неизбежностью приведет к повышению температуры поверхности Земли, а следовательно, к таянию ледников, повышению уровня океана и другим столь же серьезным последствиям. Поэтому перед человечеством стоит задача поиска таких энергетических источников и технологических процессов, при которых содержание углекислого газа в воздухе не будет расти со столь значительной скоростью. Известно также, что вырубка лесов, использование земель под дороги и строения уменьшают площадь зеленого покрова Земли и снижают темпы ассимиляции. При использовании природных фитоценозов и замене их культурными следует иметь в виду необходимость сохранения общего уровня фотосинтеза, а еще лучше - обеспечить его подъем.
Круговорот азота - сложный процесс. Хотя в составе атмосферы на долю азота приходится 70%, для его фиксации необходимо,
чтобы он находился в виде определенных химических соединений. Пути фиксации азота весьма разнообразны (рис. 4). Связывание азота происходит в процессе вулканической деятельности, при грозовых разрядах в атмосфере, когда имеет место ее ионизация, в момент сгорания метеоритов. Однако несравненно большая роль в процессе фиксации азота принадлежит микроорганизмам, как свободно живущим, так и обитающим на корнях в особых клубеньках, а иногда и на листьях некоторых растений.
Громадный резервуар свободного молекулярного азота атмосферы не используется высшими растениями напрямую, так как для разрушения прочных связей между атомами в молекуле N 2 требуется много энергии. Только 0,001 % азота биосферы связана в биомассе и метаболитах организмов. Перевод молекулярного азота в связанное состояние осуществляется в природе азотфиксирующими микроорганизмами, образующими из него соединения с аминогруппой NH 2 - основным продуктом азотфиксации, который и включается в биогенный круговорот всеми остальными организмами: микробами, растениями, грибами, животными. В дальнейшем богатые азотом соединения (аммиак, ионы аммония, аминокислоты) окисляются в воде и в почвах нитрито- и нитратообразующими бактериями до оксидов азота NO 2 и NO 3 , a на последнем этапе круговорота эти оксиды превращаются денитрифицирующими бактериями снова в молекулярный азот, поступающий в атмосферу. Ежегодно бактерии переводят в связанную форму не менее 1 млрд т азота, в то время как количество связанного азота в минеральных удобрениях не превышает 90 млн т в год.
Азотфиксирующие организмы на корнях растений представлены бактериями, реже грибами. Клубеньки с азотфиксирующими организмами развиваются на корнях представителей семейства бобовых и других растений различной систематической принадлежности. Выход фиксированного азота для клубеньковых бактерий, обитающих на корнях бобовых, составляет нередко 350 кг/га в год, т.е. примерно в 100 раз выше, чем для свободноживущих азотфиксирующих организмов.
Вероятно, самым крупным вмешательством человека в круговорот веществ в природе является промышленная фиксация азота. По данным К. Делвича (1972), промышленность ежегодно фиксирует азота столько же, сколько его фиксировали живые организмы до введения современной агротехники.
Круговорот кислорода. Несомненно, большая часть кислорода атмосферы имеет биогенное происхождение, лишь малая его доля появилась в результате фотолиза (разложения воды на кислород и водород энергией света). Роль живых существ и органического вещества в возникновении углекислого газа атмосферы также бесспорна. Можно с определенностью утверждать, что жизнь, возникшая
Рис. 4. Оценка количества фиксированного азота, теряемого и приобретаемого биосферой в различных процессах (П.Дювиньо, М.Танг, 1968). За год в биосферу поступает почти 92 млн т фиксированного азота (не заштрихованные столбики), возвращается в атмосферу в результате денитрификации примерно 83 млн т (заштрихованные столбики). "Пропавшие" около 9 млн т, видимо, откладываются ежегодно в биосфере в почве, подземных водах, озерах, реках и океане
на Земле, постепенно привела к появлению современного состава атмосферы, который и поддерживается деятельностью живых существ. В количественном отношении кислород - главная составляющая живой материи. Если учитывать воду, содержащуюся в тканях, то, например, тело человека содержит 62,8 % кислорода и 19,4% углерода. Если рассматривать биосферу в целом, этот элемент по сравнению с углеродом и водородом является основным среди простых веществ.
Круговорот кислорода очень усложнен способностью элемента образовывать многочисленные химические соединения, представленные в различных формах. В результате возникает множество эпициклов, происходящих между литосферой и атмосферой, или между гидросферой и двумя этими средами.
Кислород, содержащийся в атмосфере и многочисленных поверхностных минералах (осадочные кальциты, железные руды), имеет биогенное происхождение. Огромные послекембрийские отложения оксидов железа свидетельствуют о большой активности примитивных организмов, которые иногда связывали весь свободный кислород гидросферы в своей биомассе и метаболитах. Формирование в атмосфере озонного экрана, способного задерживать наиболее опасную ультрафиолетовую радиацию, началось с момента достижения кислородом концентрации примерно 1 % его современного содержания. После этого автотрофные организмы-эукариоты смогли развиваться в верхних слоях воды (там, где солнечный поток был наиболее мощным), что увеличило интенсивность фотосинтеза и, соответственно, продукцию кислорода.
Потребление атмосферного кислорода и его возмещение первичными продуцентами осуществляется довольно быстро. Подсчитано, что для полного обновления всего атмосферного кислорода требуется 2 тыс. лет. Зато необходимо 2 млн лет, чтобы все молекулы воды гидросферы были подвергнуты фотолизу и вновь синтезированы живыми организмами. Что касается атмосферного углекислого газа, то его полный круговорот происходит весьма быстро, так как требуется всего лишь 300 лет для его полного возобновления. Большая часть кислорода, вырабатываемого в течение геологических эпох, не оставалась в атмосфере, а фиксировалась в литосфере в виде карбонатов, сульфатов, оксидов железа и т.д. Эта масса составляет 590 · 10 14 т против 39 · 10 14 т кислорода, циркулирующего в биосфере в виде газа или сульфатов, растворенных в океанических и континентальных водах.
Круговорот серы. Преобладающая часть круговорота этого элемента имеет осадочную природу и происходит в почве и воде при существовании многочисленных газообразных соединений серы, таких, как сероводород и диоксид серы.
Основной источник серы, доступный живым существам, - всевозможные сульфаты. Хорошая растворимость в воде многих сульфатов
облегчает доступ неорганической серы в экосистемы. Поглощая сульфаты, растения их восстанавливают и вырабатывают серосодержащие аминокислоты (метионин, цистеин, цистин).
Всевозможные органические остатки в биоценозе разлагаются гетеротрофными бактериями, которые в конце концов образуют сероводород из сульфопротеинов, содержащихся в почве.
Черные илы, которые в естественных условиях встречаются на дне некоторых морей (например, Черного), озер, а также в различных пресноводных континентальных водоемах после загрязнения их человеком, богаты сероразлагающими организмами, функционирующими в анаэробных условиях. Некоторые разновидности бактерий, например Beggiatoa, могут восстанавливать сероводород до элементарной серы. Однако существуют бактерии, способные опять окислить сероводород до сульфатов, что вновь увеличивает запас серы, доступной продуцентам.
Последняя фаза круговорота серы полностью осадочная. Она заключается в выпадении в осадок этого элемента в анаэробных условиях в присутствии железа. Различные этапы этого процесса, особенно обратимые, в дальнейшем позволяют использовать запасы осадочных пород.
Таким образом, последняя фаза круговорота серы заканчивается медленным и постепенным накоплением ее в глубоко залегающих осадочных породах.
Круговорот фосфора. Этот элемент является одной из основных составляющих живого вещества, в котором он содержится в довольно большом количестве.
Запасы фосфора, доступные живым существам, полностью сосредоточены в литосфере. Основными источниками неорганического фосфора являются изверженные (например, апатиты) или осадочные (например, фосфориты) породы. Минеральный фосфор - редкий элемент в биосфере, в земной коре его содержание не превышает 1 %, что является основным фактором, лимитирующим продуктивность экосистем. Неорганический фосфор из пород земной коры вовлекается в циркуляцию выщелачиванием и растворением в континентальных водах. Он попадает в наземные экосистемы и поглощается растениями, которые при его участии синтезируют различные органические соединения, и таким образом включается в трофические цепи. Затем органические фосфаты вместе с останками, отходами и выделениями живых существ возвращаются в землю, где снова подвергаются воздействию микроорганизмов и превращаются в минеральные ортофосфаты, готовые к потреблению зелеными растениями и другими автотрофами.
В водные экосистемы фосфор приносится текучими водами. Реки непрерывно обогащают океаны фосфатами, что способствует развитию фитопланктона и живых организмов, расположенных на различных уровнях пищевых цепей пресноводных или морских
водоемов Возвращение минеральных фосфатов в воду осуществляется посредством биовосстановителей Во всех водных экосистемах, как и в континентальных, фосфор встречается в четырех формах, соответственно нерастворимых или растворимых
Проследив все превращения фосфора в масштабе биосферы, можно заметить, что его круговорот не замыкается (рис 5) В наземных экосистемах круговорот фосфора проходит в оптимальных естественных условиях с минимумом потерь на выщелачивание (окаменение скелетов позвоночных на суше - явление довольно редкое, поэтому воздействие его на круговорот фосфора не заслуживает внимания) В океане дело обстоит далеко не так Это связано с беспрестанной седиментацией органических веществ, в частности, обогащенных фосфором останков рыб, фрагменты которых, не использованные в пищу детритофагами и деструкторами, постоянно накапливаются на дне морей Органический фосфор, осевший в приливно-отливной полосе и на мелководьях, может
быть возвращен в круговорот после минерализации, однако это не распространяется на отложения на дне глубоководных зон, которые занимают 85 % общей площади океанов. Фосфаты, отложенные на больших морских глубинах, выключаются из биосферы и не могут больше участвовать в круговороте. Конечно, как заметил В.А. Ковда (1968), элементы биогеохимического осадочного круговорота не могут накапливаться до бесконечности на дне океана. Тектонические движения способствуют медленному подъему осадочных пород, накопленных на дне геосинклиналей, к поверхности. Таким образом, замкнутый цикл осадочных элементов имеет продолжительность, измеряемую геологическими периодами, т.е. десятками и сотнями миллионов лет.
