Биосфера – внешняя оболочка нашей планеты, в ней происходят важнейшие процессы, одна из главных ее геосфер. Круговорот веществ в биосфере – многие столетия был и по сей день остается объектом пристального внимания ученых. Благодаря круговороту веществ, формируется глобальный химический обмен для всего живого на Земле, поддерживающий жизнедеятельность каждого вида, отдельно взятого.
Быстрая навигация по статье
Два круговорота
Существует два основных круговорота:
- геологический, его также называют большим,
- биологический, он же малый.
Геологический имеет глобальное значение, так как осуществляет циркуляцию веществ между водными ресурсами Земли и сушей на планете. Он обеспечивает всемирный оборот воды, известный каждому школьнику: выпадение осадков, испарение, выпадение осадков, то есть - определенную схему.
Системообразующим фактором здесь является вода во всех своих агрегатных состояниях. Полный цикл этого действия дает возможность осуществляться зарождению организмов, их развитию, размножению и эволюции. Алгоритм большого цикла оборота веществ, помимо насыщения участков суши влагой, предусматривает образование и других природных явлений: образования осадочных горных пород, полезных ископаемых, магматических лав и минералов.
Биологическим круговоротом называется постоянный обмен веществ между живыми организмами и компонентами природных компонентов. Происходит это таким образом: живые организмы получают энергетические потоки, а затем, проходя процесс разложения органики, энергия снова попадает в элементы окружающей среды.
Круговорот органического вещества напрямую отвечает за обмен веществ между представителями флоры, фауны, микроорганизмами, грунтовыми породами, и так далее. Биологический круговорот обеспечивается на различных уровнях экосистемы, образуя своеобразный оборот химических реакций и различные превращения энергии в биосфере. Такая схема была сформирована много тысячелетий назад и работает все это время в одном и том же режиме.
Основные элементы
В природе существует множество химических элементов, однако, необходимых для живой природы из них не так уж и много. Выделяют четыре основных элемента:
- кислород,
- водород,
- углерод,
- азот.
Количество этих веществ, занимает более половины от всего биологического круговорота веществ в природе. Также есть элементы важные, но используемые в гораздо меньших объемах. Это фосфор, сера, железо и некоторые другие.
Биогеохимические круговороты подразделяют на такие два важных действия, как выработка солнечной энергии Солнцем и хлорофилла зелеными растениями. Химические же элементы имеют неизбежные точки соприкосновения с биогеохимическим и попутно дополняя эту процедуру.
Углерод
Этот химический элемент - важнейший компонент каждой живой клетки, организма или микроорганизма. Органические соединения углерода можно смело назвать основным компонентом возможности протекания и развития жизни.
В природе этот газ находится атмосферных слоях и, частично, в гидросфере. Именно из них происходит запитывание углеродом всех растений, водорослей и некоторых микроорганизмов.
Высвобождение газа происходит путем дыхания и жизнедеятельности живых организмов. Кроме этого, количество углерода в биосфере пополняется и из почвенных слоев, благодаря осуществляемому газообмену корневыми системами растений, разлагающимися остатками и другими группами организмов.
Понятие о биосфере и биологическом круговороте невозможно представить себе без углеродного обмена. На Земле имеется солидный запас этого химического элемента и находится он в некоторых осадочных породах, неживых организмах и ископаемых.
Поступления углерода возможны из известняковых пород, находящихся под землей, они могут обнажаться при разработках месторождений или случайных эрозиях почв.
Оборот углерода в биосфере происходит методом многократного прохождения через дыхательные системы живых организмов и накопления в абиотических факторах экосистемы.
Фосфор
Фосфор, как компонент биосферы, не так ценен в чистой форме, как в составе многих органических соединений. Некоторые из них жизненно важны: в первую очередь - это клетки ДНК, РКН и АТФ. Схема круговорота фосфора основана именно на ортофосфорном соединении, так как усваивается лучше всего именно такой вид вещества.
Вращение фосфора в биосфере, грубо говоря, состоит из двух частей:
- водной части планеты – от переработки примитивным планктоном до отложения в виде скелетов морских рыб,
- наземной среды – здесь он наиболее сконцентрирован в виде элементов почвы.
Фосфор является основой такого известного полезного ископаемого, как апатит. Разработки рудников с фосфорсодержащими ископаемыми весьма популярны, но это обстоятельство вовсе не поддерживает круговорот фосфора в биосфере, а наоборот, истощает его запасы.
Азот
Химический элемент Азот присутствует на планете в мизерных количествах. Примерное его содержание, в каких бы то ни было живых элементах, всего лишь около двух процентов. Но без него жизнь на планете не представляется возможной.
В круговороте азота в биосфере решающая роль принадлежит определенным видам бактерий. Большая степень участия здесь отведена азотфиксаторам и аммонифицирующим микроорганизмам. Их участие в данном алгоритме настолько значительно, что, если некоторых представителей этих видов не станет, вероятность жизни на Земле будет под вопросом.
Дело здесь в том, что этот элемент в молекулярном виде, таком, каким он выглядит в атмосферных слоях, не может быть усвоен растениями. Как следствие, чтобы обеспечить оборот азота в биосфере, необходима его переработка до аммиака или аммония. Схема переработки азота, таким образом, полностью зависит от деятельности бактерий.
Также важное участие в процессе круговорота азота в экосистеме принимает схема круговорота углерода в биосфере – оба эти цикла тесно связаны между собой.
Современные процессы производства удобрений и другие промышленные факторы имеют огромное влияние на содержание атмосферного вида азота – для некоторых местностей его количество превышено во много раз.
Кислород
В биосфере постоянно происходит круговорот веществ и превращение энергии из одного вида в другой. Важнейшим циклом в этом плане является функция фотосинтеза. Именно фотосинтез обеспечивает воздушное пространство свободным кислородом, который способен озонировать определенные слои атмосферы.
Кислород также высвобождается из молекул воды в процессе круговорота воды в биосфере. Однако данный абиотический фактор наличия этого элемента ничтожно мал по сравнению с тем количеством, которое вырабатывают растения.
Круговорот кислорода в биосфере – процесс длительный, но весьма интенсивный. Если взять весь объем этого химического элемента в атмосфере, то его полный цикл от разложения органического вещества до выделения растением в течение фотосинтеза, длится примерно две тысячи лет! У этого цикла нет перерывов, он происходит ежедневно, ежегодно, много тысячелетий.
В наше время в процессе обмена веществ происходит связывание значительного количества свободного кислорода из-за промышленных выбросов, транспортных выхлопных газов и других загрязняющих атмосферу факторов.
Вода
Понятие о биосфере и биологическом круговороте веществ трудно представить без такого важного химического соединения, как вода. Наверное, объяснять, почему - нет необходимости. Схема циркуляции воды повсюду: все живые организмы на три четверти состоят из воды. Растениям она нужна для фотосинтеза, в результате чего выделяется кислород. При дыхании также образуется вода. Если кратко оценить всю историю жизни и развития нашей планеты, то полный круговорот воды в биосфере, от разложения до новообразования, был пройден тысячи раз.
Так как в биосфере постоянно происходит круговорот веществ и превращения энергии одной в другую, то именно преобразование воды неразрывно связано практически со всеми другими циклами и оборотами в природе.
Сера
Сера, как химический элемент, принимает важное участие в построении правильной структуры белковой молекулы. Круговорот серы происходит благодаря многим видам простейших, а точнее говоря, бактерий. Аэробные бактерии окисляют серу, содержащуюся в органике до сульфатов, а затем, другие виды бактерий завершают процесс окисления до элементарной серы. Упрощенная схема, по которой можно описать круговорот серы в биосфере, выглядит как непрерывные процессы окисления и восстановления.
В процессе круговорота веществ в биосфере происходит накопление остатков серы в Мировом океане. Источники этого химического элемента – стоки речных вод, которые переносят серу потоками воды с почв и горных склонов. Выделяясь из речных и грунтовых вод в виде сероводорода, сера частично попадает в атмосферу и оттуда, включаясь в круговорот веществ, возвращается в составе дождевой воды.
Серные сульфаты, некоторые виды горючих отходов и тому подобные выбросы неизбежно приводят к повышенному содержанию диоксида серы в атмосфере. Последствия этого плачевны: кислотные дожди, заболевания органов дыхания, уничтожение растительности и другие. Преобразование серы, изначально предназначенное для нормального функционирования экосистемы, на сегодняшний день превращается в оружие поражения живых организмов.
Железо
Железо чистого вида в природе встречается очень редко. В основном, например, его можно обнаружить в останках метеоритов. Сам по себе металл этот - мягкий и податливый, но на открытом воздухе моментально вступает в реакцию с кислородом и образует оксиды и окислы. Поэтому, основной вид железосодержащего вещества – это железная руда.
Известно, что круговорот веществ в биосфере осуществляются в виде различных соединений, в том числе железо также имеет активный цикл обращения в природе. В почвенные слои или Мировой океан феррум попадает из горных пород или вместе с вулканическим пеплом.
В живой природе железо играет важнейшую роль, без него не происходит процесс фотосинтеза, не образовывается хлорофилл. В живых организмах железо используется для образования гемоглобина. Отработав свой цикл, попадает в виде органических остатков в почву.
Также существует морской круговорот железа в биосфере. Основной принцип у него похож на наземный. Некоторые виды организмов окисляют железо; здесь используется энергия, а после завершения жизненного цикла металл оседает в водных глубинах в виде руды.
Бактерии, организмы, участвующие в природных циклах экосистемы
Круговорот веществ и энергии в биосфере – непрерывный процесс, обеспечивающий своей бесперебойной работой жизнь на Земле. Основы этого цикла знакомы даже школьникам: растения, питаясь углекислым газом, выделяют кислород, животные и люди вдыхают кислород, оставляя углекислый газ как продукт переработки дыхательного процесса. Работа бактерий и грибов - перерабатывать останки живых организмов, превращая их из органики в минеральные вещества, в итоге усваиваемые растениями.
Какую функцию выполняет биологический круговорот веществ? Ответ прост: так как запас химических элементов и минералов на планете пусть и обширен, но, все равно, ограничен. Необходим именно цикличный процесс превращений и оборачиваемости всех важных компонентов биосферы. Понятие о биосфере и биологическом обмене веществ дает определение вечной продолжительности жизненных процессов на Земле.
Следует отметить, что микроорганизмы в данном вопросе играют очень большую роль. Например, круговорот фосфора невозможен без нитрифицирующих бактерий, окислительные процессы железа не работают без железобактерий. Клубеньковые бактерии играют большую роль в природном обороте азота – без них подобный цикл просто остановился бы. В круговороте веществ в биосфере плесневые грибы являются своего рода санитарами, разлагающими органические остатки до минеральных составляющих.
Каждый класс организмов, населяющих планету, выполняет свою важную роль в переработке тех или иных химических элементов, вносит вклад в понятие о биосфере и биологическом круговороте. Самый примитивный пример иерархии животного мира – пищевая цепь, однако, функций у живых организмов намного больше, а результат глобальнее.
Каждый организм, по сути, является составляющим биосистемы. Чтобы оборот веществ в биосфере работал циклично и правильно, важно соблюдение баланса между количеством поступающего в биосферу вещества и тем количеством, которое могут переработать микроорганизмы. К сожалению, с каждым последующим циклом круговорота в природе этот процесс все больше нарушается вследствие человеческого вмешательства. Экологические вопросы становятся глобальными проблемами экосистемы и пути их решения дорогостоящие финансово, еще более дорогие, если оценивать их со стороны прохождения естественных природных процессов.
Круговорот веществ в биосфере – это «путешествие» определённых химических элементов по пищевой цепи живых организмов, благодаря энергии Солнца. В процессе «путешествия» некоторые элемент, по разным причинам, выпадают и остаются как правила, в земле. Их место занимают такие же, которые, обычно, попадают из атмосферы. Это максимально упрощенное описание того, что является гарантией жизни на планете Земля. Если такое путешествие почему-то прервется, то и существование всего живого прекратится.
Чтобы описать кратко круговорот веществ в биосфере необходимо поставить несколько отправных точек. Во-первых, из более чем девяноста химических элементов, известных и встречающихся в природе, для живых организмов, необходимо около сорока. Во-вторых, количество этих веществ ограничено. В-третьих, речь идет только о биосфере, то есть о жизнь содержащей оболочке земли, а, значит, о взаимодействиях между живыми организмами. В-четвертых, энергией, которая способствует круговороту, является энергия, поступающая от Солнца. Энергия, рождающаяся в недрах Земли в результате различных реакций, в рассматриваемом процессе участия не принимает. И последнее. Необходимо опередить точку отсчета этого «путешествия». Она условна, так как не может быть конца и начала у круга, но это необходимо для того, чтобы с чего-то начать описывать процесс. Начнем с самого нижнего звена трофической цепи – с редуцентов или могильщиков.
Ракообразные, черви, личинки, микроорганизмы, бактерии и прочие могильщики, потребляя кислород и используя энергию, перерабатывают неорганические химические элементы в органическую субстанцию, пригодную для питания живыми организмами и дальнейшего ее движения по пищевой цепи. Далее эти, уже органические вещества, едят консументы или потребители, к которым относятся не только животные, птицы, рыбы и тому подобное, но и растения. Последние являются продуцентами или производителями. Они, используя эти питательные вещества и энергию, вырабатывают кислород, который является основным элементом, пригодным для дыхания всего живого на планете. Консументы, продуценты и, даже редуценты погибают. Их останки, вместе с органическими веществами, находящимися в них, «падают» в распоряжение могильщиков.
И все повторяется вновь. Например, весь кислород, существующий в биосфере, делает свой оборот за 2000 лет, а углекислый газ за 300. Такой кругооборот принято называть биогеохимическим циклом.
Некоторые органические вещества в процессе своего «путешествия» вступают в реакции и взаимодействия с другими веществами. В результате образуются смеси, которые в том виде, в каком они есть, не могут быть переработаны редуцентами. Такие смеси остаются «храниться» в земле. Не все органические вещества, попадающие на «стол» могильщиков, не могут ими переработаться. Не все могут перегнить при помощи бактерий. Такие неперегнившие остатки попадают на хранение. Все, что остается на хранении или в резерве, выбывает из процесса и в круговорот веществ в биосфере не входят.
Таким образом, в биосфере круговорот веществ, движущей силой которого является деятельность живых организмов, можно разделить на две составляющие. Одна – резервный фонд – это часть вещества, которая не связана с деятельностью живых организмов и до времени в обороте не участвует. И вторая – это оборотный фонд. Он представляет собой лишь небольшую часть вещества, которая активно используется живыми организмами.
Атомы каких основных химических элементов столь необходимы для жизни на Земле? Это: кислород, углерод, азот, фосфор и некоторые другие. Из соединений, основным в кругообороте, можно назвать воду.
Кислород
Круговорот кислорода в биосфере следует начать с процесса фотосинтеза, в результате которого миллиарды лет назад он и появился. Он выделяется растениями из молекул воды под воздействием солнечной энергии. Кислород образуется также в верхних слоях атмосферы в ходе химических реакций в парах воды, где химические соединения разлагаются под воздействие электромагнитного излучения. Но это незначительный источник кислорода. Основным является фотосинтез. Кислород содержится и в воде. Хотя его там, в 21 раз меньше, чем в атмосфере.
Образовавшийся кислород используется живыми организмами для дыхания. Он также является окислителем для различных минеральных солей.
И человек является потребителем кислорода. Но с началом научно-технической революции, это потребление многократно возросло, так как кислород сжигается или связывается при работе многочисленных промышленных производств, транспорта, для удовлетворения бытовых и иных нужд в ходе жизнедеятельности людей. Существовавший до этого так называемый обменный фонд кислорода в атмосфере в размере 5% общего его объема, то есть вырабатывалось в процессе фотосинтеза столько кислорода, сколько его потреблялось. То теперь этого объема становиться катастрофически мало. Происходит потребление кислорода, так сказать, из неприкосновенного запаса. Оттуда, куда его уже некому добавить.
Незначительно смягчает эту проблему, что некоторая часть органических отходов не перерабатывается и не попадает под воздействие гнилостных бактерий, а остается в осадочных породах, образуя торф, уголь и тому подобные ископаемые.
Если результатом фотосинтеза является кислород, то его сырьем – углерод.
Азот
Круговорот азота в биосфере связан с образованием таких важнейших органических соединений, как: белки, нуклеиновые кислоты, липопротеиды, АТФ, хлорофилл и другие. Азот, в молекулярной форме, содержится в атмосфере. Вместе с живыми организмами — это всего около 2% всего, имеющего на Земле азота. В таком виде он может употребляться только бактериями и сине-зелёными водорослями. Для остального растительного мира в молекулярной форме азот не может служить питанием, а может перерабатываться лишь в виде неорганических соединений. Некоторые виды таких соединений образуются во время гроз и с дождевыми осадками попадают в воду и почву.
Самыми активными «переработчиками» азота или азотофиксаторами являются клубеньковые бактерии. Они поселяются в клетках корней бобовых и преобразовывают молекулярный азот в его соединения, пригодные для растений. После их отмирания, азотом обогащается и почва.
Гнилостные бактерии расщепляют азотосодержащие органические соединения до аммиака. Часть его уходит в атмосферу, а другая иными видами бактерий окисляется до нитритов и нитратов. Те, в свою очередь, поступают в качестве питания для растений и нитрифицирующими бактериями восстанавливаются до оксидов и молекулярного азота. Которые вновь попадают в атмосферу.
Таким образом, видно, что основную роль в кругообороте азота, играют различные виды бактерий. И если уничтожить хотя бы 20 таких видов, то жизнь на планете прекратится.
И опять установленный кругооборот был разорван человеком. Он для целей увеличения урожайности сельскохозяйственных культур, стал активно применять азотосодержащие удобрения.
Углерод
Круговорот углерода в биосфере неразрывно связан с кругооборотом кислорода и азота.
В биосфере схема круговорота углерода базируется на жизнедеятельности зеленых растений и их способности к превращению углекислого газа в кислород, то есть фотосинтезе.
Углерод взаимодействует с другими элементами различными способами и входит в состав практически всех классов органических соединений. Например, он входит в состав углекислого газа, метана. Он растворен в воде, где его содержание значительно больше чем в атмосфере.
Хотя по распространённости углерод не входит в десятку, но в живых организмах он составляет от 18 до 45% сухой массы.
Мировой океан служит регулятором содержания углекислого газа. Как только его доля в воздухе повышается, вода выравнивает положения, поглощая углекислый газ. Еще одним потребителем углерода в океане являются морские организмы, которые используют его для строительства раковин.
Круговорот углерода в биосфере основывается на наличии в атмосфере и гидросфере углекислого газа, который является своеобразным обменным фондом. Пополняется он за счет дыхания живых организмов. Бактерии, грибы и другие микроорганизмы, принимающие участие в процессе разложения органических остатков в почве, также участвуют в пополнении углекислым газом атмосферы.Углерод «консервируется» в минерализованных неперегнивших органических остатках. В каменном и буром угле, торфе, горючих сланцах и тому подобных отложениях. Но основным резервным фондом углерода являются известняки и доломиты. Содержащийся в них углерод «надежно спрятан» в глубине планеты и высвобождается лишь при тектонических сдвигах и выбросах вулканических газов при извержениях.
Благодаря тому, что процесс дыхания с выделение углерода и процесс фотосинтеза с его поглощением проходит через живые организмы очень быстро, в кругообороте участвует лишь незначительная доля всего углерода планеты. Если бы этот процесс был невзаимным, то растения только суши использовали весь углерод всего в течение 4-5 лет.
В настоящее время, благодаря деятельности человека, растительный мир не имеет недостатка с углекислым газом. Он пополняется сразу и одновременно из двух источников. Путем сжигания кислорода при работе промышленности производств и транспорта, а также в связи с использованием для работы этих видов человеческой деятельности тех «консервов» — угля, торфа, сланцев и так далее. Отчего содержание углекислого газа в атмосфере возросло на 25%.
Фосфор
Круговорот фосфора в биосфере неразрывно связан с синтезом таких органических веществ, как: АТФ, ДНК, РНК и другие.
В почве и воде содержание фосфора очень мало. Основные его запасы в горных породах, образовавшихся в далеком прошлом. С выветриванием этих пород начинается кругооборот фосфора.
Растениями фосфор усваивается лишь в виде ионов ортофосфорной кислоты. В основном это продукт переработки могильщиками органических остатков. Но если почвы имеют повышенный щелочной или кислотный фактор, то фосфаты практически в них не растворяются.
Фосфор является прекрасным питательным веществом для различного вида бактерий. Особенно сине-зеленой водоросли, которая при увеличенном содержании фосфора бурно развивается.
Тем не менее большая часть фосфора уносится с речными и другими водами в океан. Там он активно поедается фитопланктоном, а с ним морским птицам и другим видам животных. Впоследствии фосфор попадает на океаническое дно и формирует осадочные породы. То есть возвращается в землю, лишь под слоем морской воды.
Как видно кругооборот фосфора специфичен. Его трудно и назвать кругооборотом, так как он не замкнут.
Сера
В биосфере круговорот серы необходим для образования аминокислот. Он создает трехмерную структуру белков. В нем участвуют бактерии и организмы, потребляющие кислород для синтеза энергии. Они окисляют серу до сульфатов, а одноклеточные доядерные живые организмы, восстанавливают сульфаты до сероводорода. Кроме них, целые группы серобактерий, окисляют сероводород до серы и далее до сульфатов. Растения могут потреблять из почвы лишь ион серы — SO 2- 4. Таким образом, одни микроорганизмы являются окислителями, а другие восстановителями.
Местами накопления серы и ее производных в биосфере является океан и атмосфера. В атмосферу сера поступает с выделением сероводорода из воды. Кроме того, сера попадает в атмосферу в виде диоксида при сжигании на производствах и в бытовых нуждах горючего ископаемого топлива. В первую очередь угля. Там она окисляется и, превращаясь в серную кислоту в дождевой воде, с ней же выпадает на землю. Кислотные дожди сами по себе наносят существенный вред всему растительному и животному миру, а кроме этого, с ливневыми и талыми водами, попадают в реки. Реки несут ионы сульфатов серы в океан.
Содержится сера также в горных породах в виде сульфидов, в газообразном виде — сероводород и сернистый газ. На дне морей имеются залежи самородной серы. Но это все «резерв».
Вода
В биосфере нет более распространенного вещества. Его запасы в основном в солено-горьком виде вод морей и океанов – это около 97%. Остальное пресные воды, ледники и подземные и грунтовые воды.
Круговорот воды в биосфере условно начинается с ее испарения с поверхности водоемов и листьев растений и составляет примерно 500 000 куб. км. Обратно она возвращается в виде осадков, которые попадают либо непосредственно обратно в водоемы, либо, пройдя через почву и подземные воды.
Роль воды в биосфере и истории ее эволюции такова, что вся жизнь с момента своего появления, была полностью зависима от воды. В биосфере вода многократно через живые организмы прошла циклы разложения и рождения.
Кругооборот воды имеет под собой в большей степени физический процесс. Однако, животный и, особенно, растительный мир принимает в этом немаловажное участие. Испарения воды с поверхностных участков листьев деревьев таков, что, например, гектар леса испаряет в сутки до 50 тонн воды.
Если испарение воды с поверхностей водоемов естественно для ее кругооборота, то для континентов с их лесными зонами, такой процесс – единственный и главный способ его сохранения. Здесь кругооборот идет как бы в замкнутом цикле. Осадки образуются из испарений с поверхностей почвы и растений.
В процессе фотосинтеза растения используют водород, содержащийся в молекуле воды, для создания нового органического соединения и выделения кислорода. И, наоборот, в процессе дыхания, живые организмы, происходит процесс окисления и вода образуется снова.
Описывая кругооборот различный видов химических веществ, мы сталкиваемся с более активным влиянием человека на эти процессы. В настоящее время природа, за счет многомиллиардной истории своего выживания, справляется с регулированием и восстановлением нарушенных балансов. Но первые симптомы «болезни» уже есть. И это «парниковый эффект». Когда две энергии: солнечная и отраженная Землей, не защищают живые организмы, а, наоборот, усиливают одна другую. В результате чего повышается температура окружающей среды. Какие последствия такого повышения могут быть, кроме ускоренного таяния ледников, испарения воды с поверхностей океана, суши и растений?
Видео — Круговорот веществ в биосфере
Вопрос 1. В чём заключается главная функция биосферы?
Главная функция биосферы заключается в обеспечении круговорота химических элементов, который выражается в циркуляции веществ между атмосферой, почвой, гидросферой и живыми организмами.
Вопрос 2. Расскажите о круговороте воды в природе.
Вода испаряется и воздушными течениями переносится на большие расстояния. Выпадая на поверхность суши в виде осадков, она способствует разрушению горных пород, делает их доступными для растений и микроорганизмов, размывает верхний почвенный слой и уходит вместе с растворёнными в ней химическими соединениями и взвешенными органическими частицами в моря и океаны. Циркуляция воды между океаном и сушей представляет собой важнейшее звено в поддержании жизни на Земле.
Вопрос 3. Участвуют ли живые организмы в круговороте воды? Если да, то дополните схему, изображённую на рисунке 113, обозначив на ней участие живых организмов в круговороте.
Растения участвуют в круговороте воды двояким способом: извлекают её из почвы и испаряют в атмосферу; часть воды в клетках растений расщепляется в процессе фотосинтеза. При этом водород фиксируется в виде органических соединений, а кислород поступает в атмосферу.
Животные потребляют воду для поддержания осмотического и солевого равновесия в организме и выделяют её во внешнюю среду вместе с продуктами обмена веществ.
Вопрос 4. Какие организмы поглощают диоксид углерода из атмосферы?
В процессе фотосинтеза зелёные растения используют углерод диоксида углерода и водород воды для синтеза органических соединений, а освободившийся кислород поступает в атмосферу.
Вопрос 5. Каким путём связанный углерод возвращается в атмосферу?
Кислородом дышат различные животные и растения, а конечный продукт дыхания – СО2 – выделяется в атмосферу.
Вопрос 6. Изобразите схематично круговорот азота в природе.
Вопрос 7. Подумайте и приведите примеры, свидетельствующие о том, что микроорганизмы играют важную роль в круговороте серы.
Находящиеся глубоко в почве и в морских осадочных породах соединения серы с металлами – сульфиды – переводятся микроорганизмами в доступную форму – сульфаты, которые и поглощаются растениями. С помощью бактерий осуществляются отдельные реакции окисления – восстановления. Глубоко залегающие сульфаты восстанавливаются до H2S, который поднимается вверх и окисляется аэробными бактериями до сульфатов. Разложение трупов животных или растений обеспечивает возврат серы в круговорот.
Вопрос 8. В пищевой рацион каждого человека обязательно должны входить блюда из рыбы. Объясните, почему это важно.
Вместе с выловленной рыбой на сушу возвращается примерно 60 тыс. т элементарного фосфора. 70% всего фосфора, который содержится в нашем организме, сосредоточено в костных тканях и зубах. Он, вместе с кальцием, формирует правильную структуру костей и обеспечивает их механическую прочность. Идеальным соотношением количества фосфора и кальция считается 1 к 2 или 3 к 4. И если их будет, скажем, поровну, то кость, постепенно теряя кальций, станет твердой, но хрупкой, как стекло, оно на первый взгляд достаточно твердое, хотя при этом его легко разбить.
Фосфор – основной энергоноситель, он входит в состав аденозинтрифосфата (сокращенно АТФ), который всасывается в кровь и доставляет энергию всем клеткам, которым она необходима.
Вопрос 9. Обсудите в классе, как изменился бы круговорот веществ в природе, если бы на планете исчезли все живые организмы.
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. С исчезновением живых организмом произошел бы сбой в круговороте веществ и энергии, и, как следствие, гибель биосферы.
- Вводный урок бесплатно ;
- Большое число опытных преподавателей (нейтивов и русскоязычных);
- Курсы НЕ на определенный срок (месяц, полгода, год), а на конкретное количество занятий (5, 10, 20, 50);
- Более 10 000 довольных клиентов.
- Стоимость одного занятия с русскоязычным преподавателем - от 600 рублей , с носителем языка - от 1500 рублей
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,чтосоставляет 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 РО43–) 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 (SO42–), в газообразной фазе в виде сероводорода (Н2S) или сернистого газа (SО2). Внекоторых организмах сера накапливается в чистом виде и при их отмирании на дне морей образуются залежи самородной серы.
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.
Является выдающийся русский ученый академик В.И. Вернадский.
Биосфера — сложная наружная оболочка Земли, в которой содержится вся совокупность живых организмов и та часть вещества планеты, которая находится в процессе непрерывного обмена с этими организмами. Это одна из важнейших геосфер Земли, являющаяся основным компонентом природной среды, окружающей человека.
Земля состоит из концентрических оболочек (геосфер) как внутренних, так и внешних. К внутренним относятся ядро и мантия, а к внешним: литосфера - каменная оболочка Земли, включая земную кору (рис. 1) толщиной от 6 км (под океаном) до 80 км (горные системы); гидросфера - водная оболочка Земли; атмосфера — газовая оболочка Земли, состоящая из смеси различных газов, водяных паров и пыли.
На высоте от 10 до 50 км расположен слой озона, с максимальной его концентрацией на высоте 20-25 км, защищающий Землю от чрезмерного ультрафиолетового излучения, гибельного для организма. Сюда же (к внешним геосферам) относится и биосфера.
Биосфера - внешняя оболочка Земли, в которую входят часть атмосферы до высоты 25-30 км (до озонового слоя), практически вся гидросфера и верхняя часть литосферы примерно до глубины 3 км
Рис. 1. Схема строения земной коры
(рис. 2). Особенность этих частей состоит в том, что они населены живыми организмами, составляющими живое вещество планеты. Взаимодействие абиотической части биосферы — воздуха, воды, горных пород и органического вещества - биоты обусловило формирование почв и осадочных пород.
Рис. 2. Структура биосферы и соотношение поверхностей, занятых основными структурными единицами
Круговорот веществ в биосфере и экосистемах
Все доступные для живых организмов химические соединения в биосфере ограничены. Исчерпаемость пригодных для усвоения химических веществ часто тормозит развитие тех или иных групп организмов в локальных участках суши или океана. По выражению академика В.Р. Вильямса, единственный способ придать конечному свойства бесконечного состоит в том, чтобы заставить его вращаться по замкнутой кривой. Следовательно, устойчивость биосферы поддерживается благодаря круговороту веществ и потокам энергии. Имеются два основных круговорота веществ: большой — геологический и малый — биогеохимический.
Большой геологический круговорот (рис. 3). Кристаллические горные породы (магматические) под воздействием физических, химических и биологических факторов преобразуются в осадочные породы. Песок и глина — типичные осадки, продукты преобразования глубинных пород. Однако формирование осадков происходит не только за счет разрушения уже существующих пород, но также и путем синтеза биогенных минералов — скелетов микроорганизмов — из природных ресурсов — вод океана, морей и озер. Рыхлые водянистые осадки по мере их изоляции на дне водоемов новыми порциями осадочного материала, погружения на глубину, попадания в новые термодинамические условия (более высокие температуры и давления) теряют воду, отвердевают, преобразуясь при этом в осадочные горные породы.
В дальнейшем эти породы погружаются в еше более глубокие горизонты, где и протекают процессы их глубинного преобразования к новым температурным и барическим условиям, — происходят процессы метаморфизма.
Под воздействием потоков эндогенной энергии глубинные породы переплавляются, образуя магму — источник новых магматических пород. После поднятия этих пород на поверхность Земли, под действием процессов выветривания и переноса снова происходит их трансформация в новые осадочные породы.
Таким образом, большой круговорот обусловлен взаимодействием солнечной (экзогенной) энергии с глубинной (эндогенной) энергией Земли. Он перераспределяет вещества между биосферой и более глубокими горизонтами нашей планеты.
Рис. 3. Большой (геологический) круговорот веществ (тонкие стрелки) и изменение разнообразия в земной коре (сплошные широкие стрелки — рост, прерывистые — уменьшение разнообразия)
Большим круговоротом называется и круговорот воды между гидросферой, атмосферой и литосферой, который движется энергией Солнца. Вода испаряется с поверхности водоемов и суши и затем вновь поступает на Землю в виде осадков. Над океаном испарение превышает осадки, над сушей наоборот. Эти различия компенсируют речные стоки. В глобальном круговороте воды немаловажную роль играет растительность суши. Транспирация растений на отдельных участках земной поверхности может составить до 80-90% выпадающих здесь осадков, а в среднем по всем климатическим поясам — около 30%. В отличие от большого малый круговорот веществ происходит лишь в пределах биосферы. Взаимосвязь большого и малого круговорота воды показана на рис. 4.
Круговороты планетарного масштаба создаются из бесчисленных локальных циклических перемещений атомов, движимых жизнедеятельностью организмов в отдельных экосистемах, и тех перемещений, которые вызваны действием ландшафтных и геологических причин (поверхностный и подземный сток, ветровая эрозия, движение морского дна, вулканизм, горообразование и т.п.).
Рис. 4. Взаимосвязь большого геологического круговорота (БГК) воды с малым биогеохимическим круговоротом (МБК) воды
В отличие от энергии, которая однажды использована организмом, превращается в тепло и теряется, вещества в биосфере циркулируют, создавая биогеохимические круговороты. Из девяноста с лишним элементов, встречающихся в природе, живым организмам нужно около сорока. Наиболее важные для них требуются в больших количествах — углерод, водород, кислород, азот. Круговороты элементов и веществ осуществляются за счет саморегулирующих процессов, в которых участвуют все составные части . Эти процессы являются безотходными. Существует закон глобального замыкания биогеохимического круговорота в биосфере
, действующий на всех этапах ее развития. В процессе эволюции биосферы увеличивается роль биологического компонента в замыкании биогеохимичес
кого круговорота. Еще большее влияние на биогеохимический круговорот оказывает Человек. Но его роль проявляется в противоположном направлении (круговороты становятся незамкнутыми). Основу биогеохимического круговорота вешеств составляют энергия Солнца и хлорофилл зеленых растений. Другие наиболее важные круговороты — воды, углерода, азота, фосфора и серы — связаны с биогеохимическим и способствуют ему.
Круговорот воды в биосфере
Растения используют водород воды при фотосинтезе в построении органических соединений, выделяя молекулярный кислород. В процессах дыхания всех живых существ, при окислении органических соединений вода образуется вновь. В истории жизни вся свободная вода гидросферы многократно прошла циклы разложения и новообразования в живом веществе планеты. В круговорот воды на Земле ежегодно вовлекается около 500 000 км 3 воды. Круговорот воды и ее запасы показаны на рис. 5 (в относительных величинах).
Круговорот кислорода в биосфере
Своей уникальной атмосферой с высоким содержанием свободного кислорода Земля обязана процессу фотосинтеза. С круговоротом кислорода тесно связано образование озона в высоких слоях атмосферы. Кислород освобождается из молекул воды и является по сути побочным продуктом фотосинтетической активности растений. Абиотическим путем кислород возникает в верхних слоях атмосферы за счет фотодиссоциации паров воды, но этот источник составляет лишь тысячные доли процента от поставляемых фотосинтезом. Между содержанием кислорода в атмосфере и гидросфере существует подвижное равновесие. В воде его примерно в 21 раз меньше.
Рис. 6. Схема круговорота кислорода: полужирные стрелки — основные потоки поступления и расхода кислорода
Выделившийся кислород интенсивно расходуется на процессы дыхания всех аэробных организмов и на окисление разнообразных минеральных соединений. Эти процессы происходят в атмосфере, почве, воде, илах и горных породах. Показано, что значительная часть кислорода, связанного в осадочных породах, имеет фотосинтетическое происхождение. Обменный фонд О, в атмосфере составляет не более 5% общей продукции фотосинтеза. Многие анаэробные бактерии также окисляют органические вещества в процессе анаэробного дыхания, используя для этого сульфаты или нитраты.
На полное разложение органического вещества, создаваемого растениями, требуется точно такое же количество кислорода, которое выделилось при фотосинтезе. Захоронение органики в осадочных породах, углях, торфах послужило основой поддержания обменного фонда кислорода в атмосфере. Весь имеющийся в ней кислород проходит полный цикл через живые организмы примерно за 2000 лет.
В настоящее время значительная часть кислорода атмосферы связывается в результате работы транспорта, промышленности и других форм антропогенной деятельности. Известно, что человечество тратит уже более 10 млрд т свободного кислорода из общего его количества в 430-470 млрд т, поставляемого процессами фотосинтеза. Если учесть, что в обменный фонд поступает лишь небольшая часть фотосинтетического кислорода, деятельность людей в этом отношении начинает приобретать угрожающие масштабы.
Круговорот кислорода теснейшим образом сопряжен с углеродным циклом.
Круговорот углерода в биосфере
Углерод как химический элемент является основой жизни. Он может разными способами соединяться со многими другими элементами, образуя простые и сложные органические молекулы, входящие в состав живых клеток. По распространению на планете углерод занимает одиннадцатое место (0,35% веса земной коры), но в живом веществе он в среднем составляет около 18 или 45% сухой биомассы.
В атмосфере углерод входит в состав углекислого газа С0 2 , в меньшей мере — в состав метана СН 4 . В гидросфере С0 2 растворен в воде, и общее его содержание намного превышает атмосферное. Океан служит мощным буфером регуляции СО 2 в атмосфере: при повышении в воздухе его концентрации увеличивается поглощение углекислого газа водой. Некоторая часть молекул С0 2 реагирует с водой, образуя угольную кислоту, которая затем диссоциирует на ионы НСО 3 - и СО 2- 3 " Эти ионы реагируют с катионами кальция или магния с выпадением в осадок карбонатов. Подобные реакции лежат в основе буферной системы океана, поддерживающей постоянство рН воды.
Углекислый газ атмосферы и гидросферы представляет собой обменный фонд в круговороте углерода, откуда его черпают наземные растения и водоросли. Фотосинтез лежит в основе всех биологических круговоротов на Земле. Высвобождение фиксированного углерода происходит в ходе дыхательной активности самих фотосинтезирующих организмов и всех гетеротрофов — бактерий, грибов, животных, включающихся в цепи питания за счет живого или мертвого органического вещества.
Рис. 7. Круговорот углерода
Особенно активно происходит возврат в атмосферу С0 2 из почвы, где сосредоточена деятельность многочисленных групп организмов, разлагающих остатки отмерших растений и животных и осуществляется дыхание корневых систем растений. Этот интегральный процесс обозначается как «почвенное дыхание» и вносит существенный вклад в пополнение обменного фонда С0 2 в воздухе. Параллельно с процессами минерализации органического вещества в почвах образуется гумус — богатый углеродом сложный и устойчивый молекулярный комплекс. Гумус почв является одним из важных резервуаров углерода на суше.
В условиях, где деятельность деструкторов тормозят факторы внешней среды (например, при возникновении анаэробного режима в почвах и на дне водоемов), органическое вещество, накопленное растительностью, не разлагается, превращаясь со временем в такие породы, как каменный или бурый уголь, торф, сапропели, горючие сланцы и другие, богатые накопленной солнечной энергией. Они пополняют собой резервный фонд углерода, надолго выключаясь из биологического круговорота. Углерод временно депонируется также в живой биомассе, в мертвом опаде, в растворенном органическом веществе океана и т.п. Однако основным резервным фондом углерода на пишете являются не живые организмы и не горючие ископаемые, а осадочные породы — известняки и доломиты. Их образование также связано с деятельностью живого вещества. Углерод этих карбонатов надолго захоронен в недрах Земли и поступает в круговорот лишь в ходе эрозии при обнажении пород в тектонических циклах.
В биогеохимическом круговороте участвуют лишь доли процента углерода от общего его количества на Земле. Углерод атмосферы и гидросферы многократно проходит через живые организмы. Растения суши способны исчерпать его запасы в воздухе за 4-5 лет, запасы в почвенном гумусе — за 300-400 лет. Основной возврат углерода в обменный фонд происходит за счет деятельности живых организмов, и лишь небольшая его часть (тысячные доли процента) компенсируется выделением из недр Земли в составе вулканических газов.
В настоящее время мощным фактором перевода углерода из резервного в обменный фонд биосферы становится добыча и сжигание огромных запасов горючих ископаемых.
Круговорот азота в биосфере
В атмосфере и живом веществе содержится менее 2% всего азота на Земле, но именно он поддерживает жизнь на планете. Азот входит в состав важнейших органических молекул — ДНК, белков, липопротеидов, АТФ, хлорофилла и др. В растительных тканях его соотношение с углеродом составляет в среднем 1: 30, а в морских водорослях I: 6. Биологический цикл азота поэтому также тесно связан с углеродным.
Молекулярный азот атмосферы недоступен растениям, которые могут усваивать этот элемент только в виде ионов аммония, нитратов или из почвенных или водных растворов. Поэтому недостаток азота часто является фактором, лимитирующим первичную продукцию — работу организмов, связанную с созданием органических веществ из неорганических. Тем не менее атмосферный азот широко вовлекается в биологический круговорот благодаря деятельности особых бактерий (азотфиксаторов).
В круговороте азота большое участие также принимают аммонифицирующие микроорганизмы. Они разлагают белки и другие содержащие азот органические вещества до аммиака. В аммонийной форме азот частью вновь поглощается корнями растений, а частью перехватывается нитрифицирующими микроорганизмами, что противоположно функциям группы микроорганизмов — денитрификаторов.
Рис. 8. Круговорот азота
В анаэробных условиях в почвах или водах они используют кислород нитратов для окисления органических веществ, получая энергию для своей жизнедеятельности. Азот при этом восстанавливается до молекулярного. Азотфиксация и денитрификация в природе приблизительно уравновешены. Цикл азота, таким образом, зависит преимущественно от деятельности бактерий, тогда как растения встраиваются в него, используя промежуточные продукты этого цикла и намного увеличивая масштабы циркуляции азота в биосфере за счет продуцирования биомассы.
Роль бактерий в круговороте азота настолько велика, что если уничтожить только 20 их видов, жизнь на нашей планете прекратится.
Небиологическая фиксация азота и поступление в почвы его окислов и аммиака происходит также с дождевыми осадками при ионизации атмосферы и грозовых разрядах. Современная промышленность удобрений фиксирует азот атмосферы в размерах, превышающих природную фиксацию азота, в целях увеличения продукции сельскохозяйственных растений.
В настоящее время деятельность человека все сильнее влияет на круговорот азота, в основном в сторону превышения перевода его в связанные формы над процессами возврата в молекулярное состояние.
Круговорот фосфора в биосфере
Этот элемент, необходимый для синтеза многих органических веществ, включая АТФ, ДНК, РНК, усваивается растениями только в виде ионов ортофосфорной кислоты (Р0 3 4 +). Он относится к элементам, лимитирующим первичную продукцию и на суше, и особенно в океане, поскольку обменный фонд фосфора в почвах и водах невелик. Круговорот этого элемента в масштабах биосферы незамкнут.
На суше растения черпают из почвы фосфаты, освобожденные редуцентами из разлагающихся органических остатков. Однако в щелочной или кислой почве растворимость фосфорных соединений резко падает. Основной резервный фонд фосфатов содержится в горных породах, созданных на дне океана в геологическом прошлом. В ходе выщелачивания пород часть этих запасов переходит в почву и в виде взвесей и растворов вымывается в водоемы. В гидросфере фосфаты используются фитопланктоном, переходя по цепям питания в другие гидробионты. Однако в океане большая часть фосфорных соединений захоранивается с остатками животных и растений на дне с последующим переходом с осадочными породами в большой геологический круговорот. На глубине растворенные фосфаты связываются с кальцием, образуя фосфориты и апатиты. В биосфере, по сути, происходит однонаправленный поток фосфора из горных пород суши в глубины океана, следовательно, обменный фонд его в гидросфере очень ограничен.
Рис. 9. Круговорот фосфора
Наземные залежи фосфоритов и апатитов используются при производстве удобрений. Попадание фосфора в пресные водоемы является одной из главных причин их «цветения».
Круговорот серы в биосфере
Круговорот серы, необходимой для построения ряда аминокислот, отвечает за трехмерную структуру белков, поддерживается в биосфере широким спектром бактерий. В отдельных звеньях этого цикла участвуют аэробные микроорганизмы, окисляющие серу органических остатков до сульфатов, а также анаэробные редукторы сульфата, восстанавливающие сульфаты до сероводорода. Кроме перечисленных группы серобактерий окисляют сероводород до элементарной серы и далее до сульфатов. Растения усваивают из почвы и воды только ионы SO 2- 4 .
Кольцо в центре иллюстрирует процесс окисления (О) и восстановления (R), благодаря которым происходит обмен серы между фондом доступного сульфата и фондом сульфидов железа, находящимся глубоко в почве и осадках.
Рис. 10. Круговорот серы. Кольцо в центре иллюстрирует процесс окисления (0) и восстановления (R), благодаря которым происходит обмен серы между фондом доступного сульфата и фондом сульфидов железа, находящимся глубоко в почве и осадках
Основное накопление серы происходит в океане, куда ионы сульфатов непрерывно поступают с суши с речным стоком. При выделении из вод сероводорода сера частично возвращается в атмосферу, где окисляется до диоксида, превращаясь в дождевой воде в серную кислоту. Промышленное использование большого количества сульфатов и элементарной серы и сжигание горючих ископаемых поставляют в атмосферу большие объемы диоксида серы. Это вредит растительности, животным, людям и служит источником кислотных дождей, усугубляющих отрицательные эффекты вмешательства человека в круговорот серы.
Скорость круговорота веществ
Все круговороты веществ происходят с различной скоростью (рис. 11)
Таким образом, круговороты всех биогенных элементов на планете поддерживаются сложным взаимодействием разных частей . Они формируются деятельностью разных по функциям групп организмов, системой стока и испарения, связывающих океан и сушу, процессами циркуляции вод и воздушных масс, действием сил гравитации, тектоникой литосферных плит и другими масштабными геологическими и геофизическими процессами.
Биосфера действует как единая сложная система, в которой происходят различные круговороты веществ. Главным двигателем этихкруговоротов является живое вещество планеты, все живые организмы, обеспечивающие процессы синтеза, трансформации и разложения органического вещества.
Рис. 11. Темпы циркуляции веществ (П. Клауд, А. Джибор, 1972)
В основе экологического взгляда на мир лежит представление о том, что каждое живое существо окружено множеством влияющих на него различных факторов, образующих в комплексе его место обитания — биотоп. Следовательно, биотоп — участок территории, однородный по условиям жизни для определенных видов растений или животных (склон оврага, городской лесопарк, небольшое озеро или часть большого, но с однородными условиями — прибрежная часть, глубоководная часть).
Организмы, характерные для определенного биотопа, составляют жизненное сообщество, или биоценоз (животные, растения и микроорганизмы озера, луга, береговой полосы).
Жизненное сообщество (биоценоз) образует со своим биотопом единое целое, которое называется экологической системой (экосистемой). Примером естественных экосистем могут служить муравейник, озеро, пруд, луг, лес, город, ферма. Классическим примером искусственной экосистемы является космический корабль. Как видно, здесь нет строгой пространственной структуры. Близким к понятию экосистемы является понятие биогеоценоза.
Основными компонентами экосистем являются:
- неживая (абиотическая) среда. Это вода, минеральные вещества, газы, а также органические вещества и гумус;
- биотические компоненты. К ним относятся: продуценты или производители (зеленые растения), консументы, или потребители (живые существа, питающиеся продуцентами), и редуценты, или разлагатели (микроорганизмы).
Природа действует в высшей степени экономно. Так, созданная организмами биомасса (вещество тел организмов) и содержащаяся в них энергия передаются другим членам экосистемы: животные поедают растения, этих животных поедают другие животные. Этот процесс называют пищевой, или трофической, цепью. В природе пищевые цепи зачастую перекрещиваются, образуя пищевую сеть.
Примеры пищевых цепей: растение — растительноядное животное — хищник; злак — полевая мышь — лиса и др. и пищевая сеть показаны на рис. 12.
Таким образом, состояние равновесия в биосфере основано на взаимодействии биотических и абиотических факторов среды, которое поддерживается благодаря непрерывному обмену веществом и энергией между всеми компонентами экосистем.
В замкнутых круговоротах естественных экосистем наряду с другими обязательно участие двух факторов: наличие редуцентов и постоянное поступление солнечной энергии. В городских и искусственных экосистемах мало или совсем нет редуцентов, поэтому жидкие, твердые и газообразные отходы накапливаются, загрязняя окружающую среду.
Рис. 12. Пищевая сеть и направление потока вещества
