Круговорот биогенных элементов кратко

Обновлено: 05.07.2024

Биогенные круговороты. Кроме деятельности организмов на поверхность Земли воздействуют и другие процессы. Вследствие вулканической деятельности в атмосферу поступают заметные количества различных газов и частицы вулканического тепла. В результате тектонических процессов в зонах срединно-океанических разломов образуется новая, молодая кора, а у окраин материков океаническая кора погружается под материковые плиты. Эти и другие процессы влияют на климат, состав горных пород, обеспечивают существование ряда сообщества. Особое значение для биосферы и жизни человека имеет круговорот воды, осуществляющийся благодаря энергии солнечного излучения.

Однако в перемещениях и превращениях многих элементов на поверхности Земли основную роль играют живые организмы. Это элементы, входящие в состав органических веществ: углерод, кислород, азот, фосфор, сера,— а также некоторые металлы (железо, кальций и др.). Элементы циркулируют в биосфере, проходя через тела живых организмов и вновь возвращаясь во внешнюю среду. Эти биогенные круговороты, или биогеохимические циклы, могут рассматриваться как в масштабе отдельного сообщества так и в глобальном масштабе, в пределах всей биосферы. Нередко разные этапы таких циклов протекают в различных сообществах. Биологические процессы (накопление веществ организмами, синтез и разложение органики, биологическое окисление и восстановление) в биогеохимических циклах тесно соседствуют с различными абиотическими процессами (химические реакции, идущие без участия живых организмов, атмосферная циркуляция, перенос веществ реками и океаническими течениями и т.п.). В качестве примеров биогеохимических циклов рассмотрим круговороты воды, углерода и азота.


Доступная для наземных организмов вода составляет ничтожную часть от ее общего количества — всего около 0,01%. Вода океанов могла бы покрыть весь земной шар слоем в 2700 м, вода рек и озер — в 0,4 м, вода атмосферного пара — в 3 см. Воды, содержащейся в телах живых организмов, хватило бы, чтобы покрыть Землю слоем в 1 мм.

Незначительная часть воды, проходящей через тела растений, разлагается ими в результате фотолиза на кислород, выделяемый в атмосферу, и водород, включаемый в состав органических веществ. Значительно больше воды растения расходуют на транспирацию, т. е. поглощают из почвы и испаряют в атмосферу.

Глобальный круговорот воды имеет три основных потока: осадки, испарение и влагоперенос. Осадки (например, дождь или снег) в основном выпадают в океаны; вода возвращается в атмосферу при испарении. С суши в океан направлены поверхностный сток и поток грунтовых вод; водяной пар переносится атмосферными потоками с океана на сушу. (Цифры даны в тысячах кубических километров в год.)



Круговорот углерода. Круговорот углерода гораздо в большей степени, чем круговорот воды, зависит от деятельности живых организмов. Двуокись углерода (СО2), в форме которой углерод содержится в атмосфере, ассимилируется наземными растениями в ходе фотосинтеза и включается в состав органических веществ. В процессе дыхания растений, животных и микроорганизмов углерод, содержащийся в органике, вновь переходит в атмосферу в виде СО2. Эти два процесса практически полностью уравновешены: лишь около 1% углерода, усвоенного растениями, откладывается в виде торфа, избегая из круговорота. Всего за 7—8 лет живые организмы пропускают через свои тела весь углерод, содержащийся в атмосфере. Гораздо большее количество углерода, чем в атмосфере, содержится в растворенном виде в морях и океанах (в виде СО2, угольной кислоты Н2СОз и ее ионов). Этот углерод также доступен для использования живыми организмами и расходуется как в процессе фотосинтеза, так. и на образование скелетов, состоящих из углекислого кальция. За счет различных биологических и химических процессов между океанами и атмосферой происходит интенсивный обмен углеродом, причем заметное количество углерода (3 млрд. т) ежегодно удаляется из круговорота, осаждаясь в виде малорастворимых карбонатов (солей угольной кислоты) в океанах.




За счет отложений торфа и карбоната кальция из атмосферы ежегодно удаляется на 3—4 млрд. т больше углерода, чем поступает в нее.

В последнее время возросло поступление в атмосферу углерода вследствие деятельности человека. Ежегодно в атмосферу поступает около 5 млрд. т углерода при сжигании ископаемого топлива и 1—2 млрд. т — за счет сведения лесов. В результате ежегодно содержание углерода в атмосфере увеличивается на 3 млрд. т. Это может привести к серьезным последствиям для биосферы.

Краткосрочные изменения содержания СО2 в атмосфере практически полностью определяются деятельностью живых организмов и зависят от потоков углерода между такими его фондами, как атмосфера, растворенный углерод океанов, живое и мертвое органическое вещество, ископаемое топливо (уголь, нефть и газ). Однако содержание углерода в этих фондах составляет лишь ничтожную часть от его общего количества на Земле.

Львиная доля углерода содержится в осадочных горных породах — сланцах (в виде ископаемых растительных остатков — керогена) и карбонатных породах (в виде углекислого кальция и углекислого магния). Циркуляция углерода между этими основными фондами и атмосферой зависит от геохимических процессов выветривания, метаморфизма горных пород и вулканической деятельности.

Итак, биологический цикл углерода — лишь часть более общего геохимического цикла. В основном от деятельности живых организмов и от хозяйственной деятельности человека зависят колебания уровня СО2 в атмосфере, имеющие период от сотен до десятков тысяч лет. Более медленные, но не менее важные изменения, длящиеся миллионы лет, зависят от скорости выветривания горных пород и от тектонических процессов.


Круговорот азота. Этот круговорот во многом своеобразен. В атмосфере содержится огромный запас азота (азот составляет 80% массы атмосферы). Однако атмосферный азот в форме N2 не может быть использован большинством живых организмов. В биотический круговорот азот атмосферы вовлекается в основном благодаря биологической фиксации, а в последнее время в результате промышленной фиксации — производства азотных удобрений человеком. В атмосферу азот возвращается вследствие денитрификации, которая осуществляется как при участии бактерий, так и в ходе химических реакций без участия организмов. Другие этапы круговорота также во многом зависят от деятельности бактерий, которые переводят азот из одних форм в другие. Важнейший из этапов — разложение трупов растений и животных, в результате которого восполняется фонд неорганических соединений азота, доступных для использования растениями.

Круговорот азота в большинстве сообществ замкнутый, лишь небольшие количества этого элемента выносятся из наземных сообществ со стоком. Однако в масштабах всей биосферы реки выносят в океан около 30 млн. т азота в год.

Биогенные круговороты. Кроме деятельности организмов на поверхность Земли воздействуют и другие процессы. Вследствие вулканической деятельности в атмосферу поступают заметные количества различных газов и частицы вулканического тепла. В результате тектонических процессов в зонах срединно-океанических разломов образуется новая, молодая кора, а у окраин материков океаническая кора погружается под материковые плиты. Эти и другие процессы влияют на климат, состав горных пород, обеспечивают существование ряда сообщества. Особое значение для биосферы и жизни человека имеет круговорот воды, осуществляющийся благодаря энергии солнечного излучения.

Однако в перемещениях и превращениях многих элементов на поверхности Земли основную роль играют живые организмы. Это элементы, входящие в состав органических веществ: углерод, кислород, азот, фосфор, сера,— а также некоторые металлы (железо, кальций и др.). Элементы циркулируют в биосфере, проходя через тела живых организмов и вновь возвращаясь во внешнюю среду. Эти биогенные круговороты, или биогеохимические циклы, могут рассматриваться как в масштабе отдельного сообщества так и в глобальном масштабе, в пределах всей биосферы. Нередко разные этапы таких циклов протекают в различных сообществах. Биологические процессы (накопление веществ организмами, синтез и разложение органики, биологическое окисление и восстановление) в биогеохимических циклах тесно соседствуют с различными абиотическими процессами (химические реакции, идущие без участия живых организмов, атмосферная циркуляция, перенос веществ реками и океаническими течениями и т.п.). В качестве примеров биогеохимических циклов рассмотрим круговороты воды, углерода и азота.


Доступная для наземных организмов вода составляет ничтожную часть от ее общего количества — всего около 0,01%. Вода океанов могла бы покрыть весь земной шар слоем в 2700 м, вода рек и озер — в 0,4 м, вода атмосферного пара — в 3 см. Воды, содержащейся в телах живых организмов, хватило бы, чтобы покрыть Землю слоем в 1 мм.

Незначительная часть воды, проходящей через тела растений, разлагается ими в результате фотолиза на кислород, выделяемый в атмосферу, и водород, включаемый в состав органических веществ. Значительно больше воды растения расходуют на транспирацию, т. е. поглощают из почвы и испаряют в атмосферу.

Глобальный круговорот воды имеет три основных потока: осадки, испарение и влагоперенос. Осадки (например, дождь или снег) в основном выпадают в океаны; вода возвращается в атмосферу при испарении. С суши в океан направлены поверхностный сток и поток грунтовых вод; водяной пар переносится атмосферными потоками с океана на сушу. (Цифры даны в тысячах кубических километров в год.)



Круговорот углерода. Круговорот углерода гораздо в большей степени, чем круговорот воды, зависит от деятельности живых организмов. Двуокись углерода (СО2), в форме которой углерод содержится в атмосфере, ассимилируется наземными растениями в ходе фотосинтеза и включается в состав органических веществ. В процессе дыхания растений, животных и микроорганизмов углерод, содержащийся в органике, вновь переходит в атмосферу в виде СО2. Эти два процесса практически полностью уравновешены: лишь около 1% углерода, усвоенного растениями, откладывается в виде торфа, избегая из круговорота. Всего за 7—8 лет живые организмы пропускают через свои тела весь углерод, содержащийся в атмосфере. Гораздо большее количество углерода, чем в атмосфере, содержится в растворенном виде в морях и океанах (в виде СО2, угольной кислоты Н2СОз и ее ионов). Этот углерод также доступен для использования живыми организмами и расходуется как в процессе фотосинтеза, так. и на образование скелетов, состоящих из углекислого кальция. За счет различных биологических и химических процессов между океанами и атмосферой происходит интенсивный обмен углеродом, причем заметное количество углерода (3 млрд. т) ежегодно удаляется из круговорота, осаждаясь в виде малорастворимых карбонатов (солей угольной кислоты) в океанах.

За счет отложений торфа и карбоната кальция из атмосферы ежегодно удаляется на 3—4 млрд. т больше углерода, чем поступает в нее.

В последнее время возросло поступление в атмосферу углерода вследствие деятельности человека. Ежегодно в атмосферу поступает около 5 млрд. т углерода при сжигании ископаемого топлива и 1—2 млрд. т — за счет сведения лесов. В результате ежегодно содержание углерода в атмосфере увеличивается на 3 млрд. т. Это может привести к серьезным последствиям для биосферы.

Краткосрочные изменения содержания СО2 в атмосфере практически полностью определяются деятельностью живых организмов и зависят от потоков углерода между такими его фондами, как атмосфера, растворенный углерод океанов, живое и мертвое органическое вещество, ископаемое топливо (уголь, нефть и газ). Однако содержание углерода в этих фондах составляет лишь ничтожную часть от его общего количества на Земле.

Львиная доля углерода содержится в осадочных горных породах — сланцах (в виде ископаемых растительных остатков — керогена) и карбонатных породах (в виде углекислого кальция и углекислого магния). Циркуляция углерода между этими основными фондами и атмосферой зависит от геохимических процессов выветривания, метаморфизма горных пород и вулканической деятельности.

Итак, биологический цикл углерода — лишь часть более общего геохимического цикла. В основном от деятельности живых организмов и от хозяйственной деятельности человека зависят колебания уровня СО2 в атмосфере, имеющие период от сотен до десятков тысяч лет. Более медленные, но не менее важные изменения, длящиеся миллионы лет, зависят от скорости выветривания горных пород и от тектонических процессов.


Круговорот азота. Этот круговорот во многом своеобразен. В атмосфере содержится огромный запас азота (азот составляет 80% массы атмосферы). Однако атмосферный азот в форме N2 не может быть использован большинством живых организмов. В биотический круговорот азот атмосферы вовлекается в основном благодаря биологической фиксации, а в последнее время в результате промышленной фиксации — производства азотных удобрений человеком. В атмосферу азот возвращается вследствие денитрификации, которая осуществляется как при участии бактерий, так и в ходе химических реакций без участия организмов. Другие этапы круговорота также во многом зависят от деятельности бактерий, которые переводят азот из одних форм в другие. Важнейший из этапов — разложение трупов растений и животных, в результате которого восполняется фонд неорганических соединений азота, доступных для использования растениями.

Круговорот азота в большинстве сообществ замкнутый, лишь небольшие количества этого элемента выносятся из наземных сообществ со стоком. Однако в масштабах всей биосферы реки выносят в океан около 30 млн. т азота в год.


Все вещества на планете находятся в процессе круговорота. Солнечная энергия вызывает на Земле два круговорота веществ: большой (геологический, биосферный) и малый (биологический).

Но большой круговорот – это и круговорот воды между сушей и океаном через атмосферу. Влага, испарившаяся с поверхности океана (на это тратится 50 % солнечной энергии), частью переносится на сушу, где выпадает в виде осадков, которые вновь возвращаются в океан в виде поверхностного и подземного стока, а часть осадков выпадает на ту же самую водную поверхность океана. В круговороте участвует более 500 тыс. км3 воды. Играет основную роль в формировании природных условий на нашей планете. С учётом транспирации воды растениями и поглощения её в биогеохимическом цикле весь запас воды на Земле распадается и восстанавливается за 2 млн. лет.

27.tif

Рис. 27. Геологический (большой) круговорот веществ

Малый круговорот веществ в биосфере (биогеохимический) совершается лишь в пределах биосферы. Сущность его – в образовании живого вещества из неорганического в процессе фотосинтеза и в превращении органического вещества при разложении вновь в неорганические соединения (рис. 28).

28.tif

Рис. 28. Биологический круговорот веществ

Этот круговорот для жизни биосферы – главный, и он сам является порождением жизни. Изменяясь, рождаясь и умирая, живое вещество поддерживает жизнь на Земле, обеспечивая биогеохимический круговорот веществ.

Наиболее интенсивному и быстрому круговороту подвергаются легкоподвижные вещества – газы и природные воды, составляющие атмосферу и гидросферу планеты. Значительно медленнее совершает круговорот материал литосферы. В целом каждый круговорот любого химического элемента является частью общего большого круговорота веществ на Земле, и все они тесно связаны между собой. Живое вещество биосферы в этом круговороте выполняет огромную работу по перераспределению химических элементов, беспрерывно циркулирующих в биосфере, переходя из внешней среды в организмы и снова во внешнюю среду.

Обмен веществом и энергией, осуществляющийся между разными структурными частями биосферы и обусловленный жизнедеятельностью организмов, называется биогеохимическим циклом.

Все биогеохимические циклы составляют современную динамическую основу существования жизни, они взаимосвязаны, и каждый из них играет свойственную ему роль в эволюции биосферы. Продолжительность циклов круговорота тех или иных веществ различна. Время, достаточное для полного оборота всего углекислого газа атмосферы через фотосинтез, составляет около 300 лет; кислорода атмосферы через фотосинтез – 2000–2500 лет; азота атмосферы через биологическую фиксацию, окисление электрическими разрядами – примерно 100 млн. лет; воды через испарение – около 1 млн. лет.

В большом и малом круговоротах участвуют множество химических элементов и их соединений. Но важнейшими из них являются круговороты биогенных элементов – кислорода, углерода, воды, азота, фосфора, серы. Большое значение имеют круговороты токсических элементов – ртути и свинца. Кроме того, из большого круговорота в биологический поступают многие вещества антропогенного происхождения (ДДТ, пестициды, радионуклиды и др.).

В экосистемах очень важна роль биогеохимических циклов. Биогенные элементы – С, О2, N2, Р, S, СО2, Н2О и другие – в отличие от энергии удерживаются в экосистемах и совершают непрерывный круговорот из внешней среды в организмы и обратно во внешнюю среду.

Наиболее важные для жизни химические элементы, необходимые в больших количествах, называются макроэлементами (С, О, Н, N, P, S, Ca, Mg, K, Na).

Элементы, необходимые для жизни в малых или следовых количествах – микроэлементы (Fe, Cu, Zn, Cl).

В каждом круговороте различают два фонда: резервный, включающий большую массу движущихся веществ, в основном небиологических компонентов, и подвижный, или обменный, фонд – по характеру более активный, но менее продолжительный, отличительной особенностью которого является быстрый обмен между организмами и их непосредственным окружением.

Биогеохимические циклы можно подразделять на два типа:

1) круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере и гидросфере (океан),

2) осадочный цикл с резервным фондом в земной коре.

Из 90 с лишним элементов, встречающихся в природе, 30–40 необходимы для живых организмов. Человек уникален не только тем, что его организм нуждается в 40 элементах, но и тем, что в своей деятельности использует почти все другие имеющиеся в природе элементы.

Круговорот азота. Азот составляет около 80 % атмосферного воздуха и является крупнейшим резервуаром и предохранительным клапаном атмосферы. Однако большинство организмов не могут усваивать азот из воздуха. Между тем азот участвует в построении всех белков и нуклеиновых кислот. Усваивать азот из воздуха способны только некоторые организмы – бактерии, которые существуют в симбиозе с бобовыми растениями (горох, фасоль, соя). Они поселяются на корнях бобовых растений, образуя клубеньки, в которых и происходит химическая фиксация азота. Азот могут усваивать также сине-зеленые водоросли, называемые цианобактериями. Они образуют симбиоз с плавающим папоротником, который растет на заливаемых водой рисовых полях и до высадки рассады риса удобряет эти поля азотом. Первый этап фиксации атмосферного азота приводит к образованию аммиака и называется аммонификацией (рис. 29).

Аммиак используется растениями для синтеза аминокислот, из которых состоят белки. Второй этап фиксации азота микроорганизмами – нитрификация, при этом образовавшийся аммиак преобразуется в соли азотной кислоты – нитраты. Нитраты усваиваются корнями растений и транспортируются в листья, где происходит синтез белков. Процесс разложения белков, осуществляемый особой группой бактерий, называется денитрификацией. Распад идет сначала с образованием нитратов, потом аммиака и, наконец, молекулярного азота. Содержание азота в живых тканях составляет около 3 % его содержания в обменных фондах экосистем. Общее время круговорота азота – примерно 100 лет.

Роль бактерий в цикле азота такова, что, если будет уничтожено только двенадцать их видов, участвующих в круговороте азота, жизнь на Земле прекратится.

29.tif

Рис. 29. Основные биохимические этапы круговорота азота

Круговорот углерода. Круговороты углекислоты и воды в глобальном масштабе – самые важные для человечества биогеохимические круговороты.

В круговороте СО2 атмосферный фонд невелик по сравнению с запасами углерода в океанах, ископаемом топливе и других резервуарах земной коры (рис. 30).

До наступления индустриальной эры потоки углерода между атмосферой, материками и океанами были сбалансированы. Но в XX в. содержание СО2 постоянно растет в результате новых техногенных поступлений (сжигание горючих ископаемых, деградация почвенного слоя, сведение лесов и т.д.).

В 1800 г. в атмосфере Земли содержалось 0,29 % СО2; в 1958 – 0,315 %, а к 1980 г. его содержание выросло до 0,335 %. Если концентрация СО2 вдвое превысит доиндустриальный уровень, что может случиться в середине XXI в., то температура поверхности Земли и нижних слоев атмосферы в среднем повысится на 3°. В результате подъем уровня моря и перераспределение осадков могут погубить сельское хозяйство.

Круговорот воды. Вода составляет значительную часть живых существ: в теле человека – по весу 60 %, а в растительном организме достигает 95 %. На круговорот воды на поверхности Земли затрачивается около трети всей поступающей на Землю солнечной энергии. Испарение с водных пространств создает атмосферную влагу. Влага конденсируется в форме облаков, охлаждение облаков вызывает осадки в виде дождя и снега; осадки поглощаются почвой или стекают в моря и океаны (рис. 31).

30.tif

Рис. 30. Круговорот углерода

Для человечества важны фазы круговорота в пределах экосистем. Здесь происходят четыре процесса:

– перехват. Растительность перехватывает часть выпадающей в осадках воды до того, как она достигает почвы. Перехваченная вода испаряется в атмосферу. Величина перехвата в умеренных широтах может достигать 25 % общей суммы осадков, это – физическое испарение;

– транспирация – биологическое испарение воды растениями, но не дождевая вода, а вода, заключенная в растении, т.е. экосистемная. Растения, потребляя около 40 % общего количества осадков, играют главную роль в круговороте воды;

– инфильтрация – просачивание воды в почве. При этом часть инфильтрованной воды задерживается в почве тем сильнее, чем значительнее в ней коллодоидальный комплекс, соответствующий накоплению в почве перегноя;

– сток. В этой фазе круговорота избыток выпавшей с осадками воды стекает в моря и океаны.

31.tif

Рис. 31. Круговорот воды

Отличие циклов углерода и азота от круговорота воды состоит в том, что в экосистемах два названных элемента накапливаются и связываются, а вода проходит через экосистемы почти без потерь. Биосфера ежегодно использует на формирование биомассы 1 % воды, выпавшей в виде осадков.

Круговорот фосфора. Фосфор – один из наиболее важных биогенных компонентов. Он входит в состав нуклеиновых кислот, клеточных мембран, систем аккумуляции и переноса энергии, костной ткани и дентина. Круговорот фосфора всецело связан с деятельностью организмов.

В отличие от азота и углерода резервуаром фосфора служат не атмосфера, а горные породы и отложения, образовавшиеся в прошлые геологические эпохи. Круговорот фосфора – типичный пример осадочного цикла.

Сера не является лимитирующим биогеном, так как ее природные ресурсы достаточно велики. Она, как и фосфор, имеет основной резервный фонд в породах и почве, но, кроме того, имеет резервный фонд и в атмосфере. В горных породах сера встречается в виде сульфидов (FeS2 и др.), в растворах – в форме иона (SО42), в газообразной фазе – в виде сероводорода (H2S) или сернистого газа (SО2). В морской среде сульфат-ион является основной доступной формой серы для автотрофов. В наземных экосистемах сера возвращается в почву при отмирании растений, окисляется, и возникшие сульфаты поглощаются растениями из почвенных растворов – так продолжается круговорот. Круговорот серы является ключевым при продуцировании и разложении (Ю. Одум, 1986). Например, при образовании сульфидов железа растворим фосфор и доступен организмам.

Однако круговорот серы может быть нарушен вмешательством человека: сернистый газ (SО2), являющийся продуктом сжигания топлива, нарушает процессы фотосинтеза и приводит к гибели растительности.

Из сказанного ясно, что биогеохимические циклы легко нарушаются человеком и становятся ациклическими. Охрана природных ресурсов должна быть, в частности, направлена на то, чтобы циклические биогеохимические процессы не превратить в ациклические.


Биогеохимический цикл (круговорот веществ) описывает круговорот питательных и других веществ между биотическими (биосфера) и абиотическими (литосфера, атмосфера и гидросфера) частями Земли.

Материя на Земле сохраняется и присутствует в виде атомов. Поскольку материю нельзя ни создать, ни разрушить, она перерабатывается в земной системе в различных формах.

Земля получает энергию от Солнца, которая излучается обратно в виде тепла, в то время как все остальные элементы присутствуют в замкнутой системе. Основные элементы включают в себя:

Эти элементы перерабатываются биотическими и абиотическими компонентами экосистемы. Атмосфера, гидросфера и литосфера являются абиотическими компонентами экосистемы.

Типы биогеохимических циклов

Биогеохимические циклы в основном делятся на два типа:

  • Газовые циклы – включают циклы углерода, кислорода, азота и воды
  • Осадочные циклы – включают циклы серы, фосфора, горных пород и т. д.

Давайте кратко рассмотрим каждый из этих биогеохимических циклов:

Круговорот воды


Вода из разных водоемов испаряется, охлаждается, конденсируется и снова падает на землю в виде дождя.

Этот биогеохимический цикл отвечает за поддержание погодных условий. Вода в различных формах взаимодействует с окружающей средой и изменяет температуру и давление атмосферы.

Есть еще один процесс, называемый эвапотранспирацией (т. е. пар, производимый листьями), который помогает круговороту воды. Это испарение воды из листьев, почвы и водоемов в атмосферу, которая снова конденсируется и выпадает в виде осадков.

Углеродный цикл


Это один из биогеохимических циклов, в котором углерод обменивается между биосферой, геосферой, гидросферой, атмосферой и педосферой.

Все зеленые растения используют углекислый газ и солнечный свет для фотосинтеза. Таким образом, углерод накапливается в растении. Умершие растения разлагаются и выделяют углекислый газ обратно в атмосферу.

Кроме того, животные, потребляющие растения в пищу, получают хранящийся в них углерод. Этот углерод возвращается в атмосферу после смерти животных. Углерод также возвращается в окружающую среду через клеточное дыхание животных.

Огромное количество углерода запасено в ископаемом топливе (уголь, нефть и т. п.) Когда заводы и фабрики используют это топливо в своей деятельность, при его сгорании углекислый газ попадает в атмосферу.

Азотный цикл


Это биогеохимический цикл азота, в ходе которого азот преобразуется в несколько форм и циркулирует в атмосфере и различных экосистемах, таких как наземные и морские экосистемы.

Азот – важный элемент жизни. Азот из атмосферы фиксируется азотфиксирующими бактериями, присутствующими в корневых клубеньках бобовых, и поступает в почву и растения.

Бактерии, присутствующие в корнях растений, превращают этот газообразный азот в полезное соединение, называемое аммиаком. Аммиак также поступает в растения в виде удобрений. Этот аммиак превращается в нитриты и нитраты. Денитрифицирующие бактерии превращают нитраты в азот и возвращают его в атмосферу.

Кислородный цикл


Биогеохимический цикл кислорода проходит через атмосферу, литосферу и биосферу. Кислород – это распространенный элемент на Земле. До 21% атмосферы состоит из кислорода.

Кислород выделяется растениями во время фотосинтеза. Люди и другие животные вдыхают кислород, выдыхают углекислый газ, который снова поглощается растениями. Они используют этот углекислый газ в фотосинтезе для производства кислорода, и цикл продолжается.

Цикл фосфора


В этом биогеохимическом цикле фосфор перемещается через гидросферу, литосферу и биосферу. Фосфор выветривается из горных пород. Из-за дождей и эрозии фосфор попадает в почву и водоемы. Растения и животные получают этот фосфор из почвы и воды. Микроорганизмам также необходим фосфор для своего роста. Когда растения и животные умирают, они разлагаются, а накопленный фосфор возвращается в почву и водоемы, которые снова потребляются растениями и животными, и цикл продолжается.

Цикл серы


Этот биогеохимический цикл проходит через горные породы, водоемы и живые системы. Сера выбрасывается в атмосферу в результате выветривания горных пород и превращается в сульфаты. Эти сульфаты поглощаются микроорганизмами и растениями и превращаются в органические формы. Органическая сера потребляется животными с пищей. Когда животные умирают и разлагаются, сера возвращается в почву, которую снова используют растения и микробы, и цикл продолжается.

Круговорот веществ в природе - это взаимосвязанные биологические, химические, физиологические процессы движения и видоизменения соединений, которые имеют повторяющийся характер.

Биогенные элементы

Для благоприятного функционирования всей биосферы и непрерывности ее процессов, внутри нее должны постоянно осуществляться обмены биогенных веществ, все элементы которых важны для жизни как таковой. В организмы живых существ входят те же составляющие, что и в воздух, воду, почву и минералы. Отличие только в том, что молекулы неживой природы просты и однотипны, а живые организмы состоят из множества атомов разных типов.

Рис. 1. Классификация биогенных элементов

  • водород
  • кислород
  • сера
  • фосфор
  • углерод
  • азот
  • железо

Важно! Все процессы на планете взаимосвязаны, и основным условием существования жизни на планете является непрерывный оборот биогеохимических веществ.

Возникновение круговоротов

Активность живого вещества и энергетические потоки Солнца выступают движущими силами этого процесса. Они перераспределяют, концентрируют и перемещают огромное количество жизненно необходимых веществ между растениями, их корневыми системами и всеми существами на планете.

Важно! Энергия заключена в химических связях органических веществ, которая поглощена продуцентом, вследствие чего она циркулирует в круговороте.

Возникает циклический оборот энергии потому, что действует закон ее сохранения. Она не исчезает бесследно, а расходуется для жизни биосферы Земли, переходя из одного состояния в другое.

Рис. 2. Круговорот азота в природе

  • Переходят в виде пищи от организма к организму;
  • Выделяются в окружающий мир;
  • Снова приобщаются автотрофами в процессы жизнедеятельности организмов.

Структура природного цикла

  • Большой либо геологический
  • Малый либо биологический

Геологический

  • Испарение влаги;
  • Ее передвижение с воздушными потоками в состоянии пара;
  • Формирование облаков;
  • Осадки;
  • Подземный и поверхностный сток воды в Мировой океан.
  • По поверхности земной коры . Сток наполняет материковые водоемы, чьи воды стекаются в океаны. Эта вода содержит в себе растворенные химические элементы, частички почвы и гумуса.

Важно! По причине неконтролируемой вырубки лесов и безответственной деятельности человека в отношении ресурсов Земли, количество вод поверхностного стока растет с каждым годом. Это стало причиной многих экологических отклонений.

  • Оседает в верхних слоях земной коры . Вода впитывается и сохраняется на некоторое время в почвах для питания растений. Спустя время, переработанная в процессе фотосинтеза, она переходит в атмосферу в парообразном состоянии.
  • Проникает в более глубокие слои коры и образует подземные воды. Попадая в глубины Земли и заполняя ее трещины, вода вымывает растворенные минеральные вещества и доставляет их в океан.

Рис. 3. Круговорот водорода в природе

Важно! Большой цикл круговорота никогда не повторяется в точности, как предыдущий, и проходит по спирали, а не по кругу.

Малый

  • Продуценты
  • Консументы
  • Запас энергии и полезных веществ
  • Редуценты

Рис. 4. Круговорот углерода в природе

  • Все организмы вбирают в себя атомы биогенных веществ из гидросферы, литосферы и атмосферы;
  • В телах организмов проходят химические реакции с участием этих веществ;
  • После переработки микроэлементы выделяются в виде продуктов распада в окружающую среду;
  • Окружающий мир и все живые организмы планеты, черпая из него питательные вещества и выделяя их обратно в виде продуктов жизнедеятельности, создают общую экосистему.

Важно! Организованная таким образом жизнь на Земле продолжается уже миллионы лет. Если внести даже незначительные изменения в структуру, массу и в исходный химический состав живого вещества, можно необратимо повлиять на весь характер биологического цикла.

  • Восходящий поток образуется, благодаря взаимодействию окружающей среды с растениями. На этом этапе создается первичный продукт.
  • Нисходящий поток генерируется всеми уровнями экосистемы, которые преобразуют синтезированную продукцию в неорганические вещества.

Рис. 5. Круговорот веществ в природе

Основные отличия круговоротов

  • Составляющими компонентами. В геологическом круговороте принимают участие химические вещества со всех уровней земной коры. Биологический - отличается взаимодействием только между биогенными элементами.
  • Длительностью . Цикл Малого оборота длится от года до сотни лет. Период Большого - тянется до сотен тысяч лет.
  • Движущей силой. Импульсом для геологического круговорота выступает вода, которая “путешествует” между сушей и водоемами. В Малом круговороте в этой роли выступают живые организмы, их продукты жизнедеятельности и питание.

Влияние человека

Человек, как существо биологическое, непосредственно втянут в круговорот веществ. Однако ему все труднее соблюдать баланс и кодекс невмешательства в основные природные процессы. Бесконтрольно потребляя ресурсы планеты, заполняя неперерабатываемыми отходами ее атмосферу и биосферу, человек неблагоприятно влияет на естественный круговорот. Таким образом он наносит вред себе в первую очередь. Так, излишки азотных удобрений, которыми люди щедро посыпают почвы, впитываются в глубокие слои почвы и смываются дождями с полей, попадая в воду. Так или иначе, нитраты попадают в организм человека через пищу и воду, вызывая рак и другие сбои в процессах жизнедеятельности. Необходимо помнить, что все на Земле взаимосвязано. Для гармоничной и продолжительной жизни нужно поддерживать баланс веществ в природе, учитывая особенности естественного круговорота. Для лучшего восприятия всей изложенной информации смотрите тематическое видео.

Читайте также: