Как происходит круговорот углерода и фосфора в биосфере кратко

Обновлено: 30.06.2024

Экология – наука о взаимоотношениях организмов и образованных ими сообществ между собой и окружающей средой.

Биосфера – все живые существа в совокупности со средой обитания, в том числе и человек.

Экосистема – совокупность различных видов растений, животных и микроорганизмов, взаимодействующие друг с другом и окружающей их неживой природой долгое время.

Биоценоз – закономерности сочетания различных организмов обитающих на одной территории.

Биотоп – совокупность условий среды, в которой обитает биоценоз.

Популяция – это совокупность особей одного вида, способная к самовоспроизведению, более или менее изолированная в пространстве и во времени от других аналогичных совокупностей того же вида.

Биосфера и ее эволюция

Все живые существа в совокупности со средой обитания, в том числе и человек, представляют собой биосферу.

Биосфера возникла 3-4 млрд лет назад. Нижняя граница опускается на 2-3км на суше, и на 1-2км ниже дна океана. Верхняя граница – защитные озоновый слой – это экран выше которого УФ исключают существование жизни.

Понятие биосферы, как сферы обитания живых организмов, было предложено австрийским ученым Э.Зюколь в 1875г. Позднее русский ученый Вернадский создал учение о биосфере, согласно которому биосфера, есть результат длительного процесса взаимодействия живой и неживой материи, которые длятся с момента возникновения жизни на земле.

В чем смысл учения Вернадского о биосфере

В отличие от других ученых которые рассматривают биосферу, как совокупность живых организмов и принципы из жизнедеятельности, Вернадский считал, что живое в-во является ф-ей биосферы в биохимическом понимании. Посредством живого вещества происходит превращение космической энергии и органических условий существования планеты в особом проявлении термодинамических, физических и химических условиях. Вернадский видел в изучении земных атомов путь к познанию космоса и выдвинул идею о материальном обмене и энергетическом взаимодействии между нашей планетом и космосом. Вернадский с геохимической позиции выявил функциональную роль живого вещества, как биологическую силу планетарного масштаба. В состав живого вещества, геохим. меняющего процессы в земной коре, ученый включил и человечество.

Основные законы функционирования биосферы

· закон необратимости эволюции живого: эволюция биосферы, как и эволюция всего живого на планете, может идти лишь в одном направлении.

· закон однонаправленности потока энергии: энергия, получаемая экосистемой и усваиваемая продуцентами, рассеивается или вместе с их биомассой передается консументам первого, второго и т.д. порядков.

· принцип комплементарности: вещество и энергия для функционирования и развития экосистемы могут поступать лишь из окружающей среды.

· закон физико – химического единства живого вещества.

· закон оптимальности: хозяйственная деятельность человека должна соотноситься с возможностями окружающей среды, т.е. должна быть оптимальной и не нарушать функционирование экосистем.

· закон незаменимости биосферы: если изменения, происходящие в экосистеме, превышают порог изменения функциональной целостности, то экосистема теряет свойство надежности.

· закон ограниченности природных ресурсов

· закон ноосферы: биосфера неизбежно превратится в ноосферу, т.е. в сферу, где разум человека будет играть доминирующую роль в развитии системы человек - природа.

Круговорот веществ в природе (на примере углерода, азота и фосфора)

Круговорот веществ – многократное участие веществ в процессах, протекающих в атмосфере, гидросфере и литосфере.

Круговорот углерода. В результате фотосинтеза атомы углерода, находящиеся в виде углекислоты в атмосферном воздухе, включаются в состав глюкозы и др. органических веществ, из которых построены все растительные ткани. Затем они переносятся по пищевым цепям и образуют ткани всех остальных живых веществ экосистемы. При переходе с одного трофического уровня на другой часть углесодержащих молекул расширяются а процессе клеточного дыхания. При этом атомы углерода вновь поступают в окружающую среду в составе углекислого газа, совершив один цикл.

Круговорот азота. Преобразование азота осуществляется некоторыми видами микроорганизмов. Среди них сине-зеленые водоросли, симбиотические бактерии бобовых, фиксирующие азот в виде ионов аммония или нитрата. Так он усваивается зелеными растениями. Затем органический азот переносится по пищевым цепям. В анаэробных условиях происходит денитрификация органических соединений до газообразного азота денитрифицирующими бактериями.

Круговорот фосфора. Основным источником фосфора служат породы, извлеченные из недр Земли или осадочные породы. Неорганический фосфор поглощается растениями и переводится в состав живого вещества. Органический фосфор вместе с телами мертвых животных, отходами и выделениями живых существ возвращаются в почву, перерабатываются микроорганизмами и снова возвращаются в круговорот.

Основные понятия и термины общей экологии.

Биосфера – все живые существа в совокупности со средой обитания, в том числе и человек.

Биоценоз – закономерности сочетания различных организмов обитающих на одной территории.

Биотоп – совокупность условий среды, в которой обитает биоценоз.

Биосфера и ее эволюция

Все живые существа в совокупности со средой обитания, в том числе и человек, представляют собой биосферу.

В чем смысл учения Вернадского о биосфере

Основные законы функционирования биосферы

· закон физико – химического единства живого вещества.

· закон ограниченности природных ресурсов

Круговорот веществ в природе (на примере углерода, азота и фосфора)

Общие запасы углерода в биосфере составляют около 20 000 000 млрд т. Они более чем на 99% состоят из отложений СаСО₃. Лишь около 10 000 млрд т углерода находится в виде ископаемого топлива (уголь, нефть, газ). В неживой органике углерода: в океане — 3000 млрд т, в почве — 700 млрд т. Содержание углерода в биомассе (млрд т): наземные растения — 450, поверхностные слои моря — 500, фито-, зоопланктон и рыбы — 1020. В атмосфере воздуха в виде СО₂ — около 1000 млрд т.

Запасов углерода очень много, но лишь диоксид углерода СО₂ воздуха представляет источник углерода, который усваивается растениями в количестве около 35 млрд т в год.

В процессе фотосинтеза СО₂ превращается в сахара, жиры и другие вещества. Например:

Возврат углерода в атмосферу происходит в процессе дыхания животных и растений (около 10 млрд т), разложения организмов в почве (в виде СО₂, углеводородов, меркаптанов; около 25 млрд т). Сверх биогенного, сбалансированного углерода в атмосферу поступает антропогенный диоксид углерода после сжигания углеродного топлива (уголь, нефть, газ, сланцы, лес и т.п.; 5 млрд т) и природный его диоксид — при извержении вулканов.

В морях и океанах некоторые организмы, умирая, опускаются на дно (в частности, скелеты фитопланктона) и образуют карбонатные осадочные породы, а неразложившееся органическое вещество — ископаемое углеродное топливо. Обмен СО₂ воздуха с поверхностными морскими водами составляет: растворение в воде 100 млрд т, выделение из воды — 97 млрд т.

Быстрый круговорот углерода связан с живыми организмами: а) потребление СО₂ в процессе фотосинтеза органических веществ, б) выделение СО₂ при дыхании организмов и разложении органики. Его длительность зависит от времени жизни организма. Так, углерод лесов совершает круговорот примерно за 30 лет средний срок жизни дерева. Леса являются главным потребителем СО₂ на суше и основным хранилищем биологически связанного углерода. Они содержат около 2/3 его атмосферного запаса.

Медленный круговорот углерода включает ископаемое топливо, что исключает углерод из оборота на длительное время миллионы лет. Он возвращается в атмосферу в виде СО₂ в результате сжигания ископаемого топлива человеком и при извержении вулканов.

Круговорот азота

Океан воздуха, окружающий Землю, содержит 78% азота. Однако большинство организмов неспособны непосредственно усваивать атмосферный азот. Они используют в основном связанный азот: нитраты, аммонийный и амидный азот.

Круговорот азота состоит из следующих процессов: получение связанного азота, использование его живыми организмами, преобразование соединений азота в свободный азот.

Варианты получения связанного азота (млн т/год): синтез оксидов азота в атмосфере грозовыми разрядами — 7,6; фиксирование атмосферного азота микроорганизмами — 30, бобовыми — 14, синезелеными водорослями — 10; синтез азотных удобрений человеком — 30. Всего около 92 млн т/год связанного азота.

Круговорот связанного азота в биосфере. Азот в форме нитратов используется растениями для синтеза протеинов, являющихся составной частью всех клеток растительных и животных организмов. Содержание азота в тканях около 3%. Протеины при отмирании служат питанием целой цепи почвенных организмов. Они, разлагая органическое вещество, переводят органический азот в аммиак. Другие бактерии переводят аммиак в нитраты. Последние снова используют растения, и цикл превращений азота в пищевой цепи повторяется.

Окисление азота аммиака до нитритов осуществляется с участием бактерий Nitrosomonos (реакция нитрификации):

NH3 + 1,5O2 — HNO2 + H2O + 273 кДж/моль. (1.2)

Выделяющейся при этом энергии вполне достаточно для существования этих бактерий. Это исключительный случай в живой природе, который позволяет поддерживать существование живых организмов без энергии Солнца. Они не потребляют энергию, запасенную в органических веществах, а используют энергию окисления неорганических веществ. Другие микроорганизмы способствуют окислению нитритов дальше до нитратов с выделением энергии в 71 кДж/моль, что позволяет им выживать, так же как и вышеуказанным бактериям.

Аммиак почвы может усваиваться растениями и без его нитрификации. При этом он включается в аминокислоты и становится частью белка растения, а после поедания растений переходит в животные белки. Белок возвращается в почву, где он распадается на аминокислоты, которые окисляются при участии бактерий до СО₂, Н₂О, NH₃. И цикл повторяется.

Связанный азот в количестве 2-3 млн т/год в виде растворимых соединений попадает с водой в океан и надолго теряется для биосферы в донных отложениях. Эти потери в основном компенсируются соединениями азота из вулканических газов.

Денитрификация

Денитрификация — это процесс освобождения связанного азота посредством его восстановления с участием бактерий денитрификаторов. Например:

Денитрификация идет в анаэробных условиях, т.е. в отсутствие кислорода как на суше (43 млрд т/год), так и в море (40 млрд т/год) с образованием 83 млрд т азота в год. На суше бактерии активны в почвах, богатых соединениями азота и углерода, особенно в навозе.

Несмотря на потери связанного азота из-за денитрификации (83 млрд т/год), в биосфере идет его накопление в количестве около 92 — 83 = 9 млрд т/год. Причина излишка — производство человеком избыточного количества азотных удобрений. Таким образом, круговорот азота нарушен на 10%, что становится опасным, так как вода загрязняется нитратами. Человечество ожидают новые осложнения из-за быстрого увеличения количества азотсодержащих отбросов в связи с резким возрастанием народонаселения и поголовья скота.

Круговорот фосфора

Значение фосфора для биосферы. Фосфор — составная часть важнейших для организмов органических соединений, например, таких как рибонуклеиновая (РНК) и дизоксирибонуклеиновая (ДНК) кислоты, входящих в состав сложных белков. Соединения, содержащие фосфор, играют существенную роль в дыхании и размножении организмов. При достатке фосфора повышается урожай, засухоустойчивость и морозоустойчивость растений, увеличивается в них содержание ценных веществ: крахмала в картофеле, сахарозы в свекле и т.п. Недостаток фосфора ограничивает продуктивность растительности в большей степени, чем недостаток любых других веществ, исключая воду.

Усвояемые соединения фосфора. Растения используют фосфор из почвенного раствора в виде соединений фосфорной кислоты — ионов Н2РО4 - , НРО4 2- . В почве их образуют три группы усвояемых фосфорных соединений: природные, органические и промышленные.

В земной коре фосфора довольно много — около 0,1% по массе. Разведанные запасы фосфатного сырья составляют около 26 млрд т. Известно примерно 120 фосфорсодержащих минералов: апатит, фосфориты, фосфаты алюминия, железа, магния и др. Однако все они трудно растворимы в воде и, следовательно, малоэффективны. Для растений фосфорные соединения доступны только после их дефосфорилирования — ферментативного расщепления организмами почвы. Доля такого фосфора в питании растений составляет 20-60%. Промышленность выпускает фосфорные удобрения, которые хорошо усваиваются растениями. Это двойной суперфосфат Са(Н₂РО₄)₂-Н₂О, фосфат аммония, нитрофоска и др.

Круговорот фосфора: а) усвоение растениями (продуцентами); б) потребление животными (консументами), редуцентами; в) дефосфорилирование. В природном круговороте фосфора имеется существенный его дефицит, около 2 млн т в год. Это потери его растворимых соединений, включенных в природный круговорот воды. Достигая с водой океана, они теряются на его дне в отложениях. В круговорот из океана возвращается лишь около 60 тыс. т фосфора в год в виде прибрежного гуано (помет и останки птиц, питающихся рыбой) и рыбной муки из выловленной рыбы. Считается, что круговорот фосфора — единственный в природе пример простого незамкнутого цикла. Человек, производя фосфорные водорастворимые удобрения, ускоряет убыль природных фосфатов, расходуя около 3 млн т в год апатита и фосфоритов. При таком расходе их хватит примерно на 10 тыс. лет.

Круговорот кислорода

Запасы кислорода в биосфере очень большие, примерно 50% ее массы. В ней он самый распространенный элемент. Основное количество связанного кислорода приходится на гидросферу и литосферу. В песке его около 53%, глине 56%, воде — 89%. Свободный кислород содержится в атмосфере в количестве 1 200 000 млрд т, что составляет лишь 0,01% его общего количества. Большая часть атмосферного кислорода — продукт фотосинтеза растений.

Схема круговорота кислорода: а) генерация растениями в процессе фотосинтеза (около 16 млрд т/год); б) потребление живыми организмами при дыхании; в) расход на окисление биогенного вещества.

Для высших форм жизни (растения, животные) пригодно аэробное дыхание — прямое окисление кислородом органики, например, глюкозы:

Большое количество энергии, которая выделяется при дыхании и окислении веществ в организме с участием кислорода, идет на поддержание жизнедеятельности высших организмов, которая требует значительных энергетических затрат, например, при перемещениях. Для низших организмов большое выделение тепла опасно. Они приспособились проводить окисление органики в анаэробных условиях (без О₂) с помощью ферментов (см. выше).

Скорость круговорота кислорода в биосфере в нашу эпоху составляет около 2500 лет.

Небольшая часть кислорода постепенно уходит в осадочные породы: карбонаты, сульфаты. Однако эти процессы идут весьма медленно и в целом не влияют на главный круговорот атмосферного кислорода. Опасность представляет антропогенный фактор. Так, за последние 100 лет человеком при сжигании топлива изъято из атмосферы около 250 млрд т кислорода и добавлено около 380 млрд т СО₂. Ежегодный прирост расхода кислорода человеком около 5%.

Круговорот воды

Воды на Земле много — 1,5 млрд км 3 , но пресных вод меньше 3%. Основная масса пресной воды — 29 млн км 3 (75%) — находится в ледниках Арктики и Антарктиды, около 13 млн км 3 — в атмосфере, 1 млн км 3 — в живых организмах. Лишь всего 0,003% воды, т.е. около 0,04 млн км 3 , представляют объем ежегодно возобновляемых водных ресурсов.

Большой круговорот воды (40-45 тыс. км 3 )

испарение воды в океанах и на суше под действием Солнца;

перенос паров воды с воздушными массами;

выпадение воды из атмосферы в виде дождя и снега;

поглощение воды растениями и почвой,

сток воды по поверхности суши и возвращение в моря и океаны. Этот круговорот воды хорошо замкнут. Он вместе с энергией Солнца является важнейшим фактором обеспечения жизни на Земле, так как при этом происходит перенос и перераспределение не только воды — основы жизни, но и тепла, поглощающегося при испарении воды и выделяющегося при ее конденсации.

Круговорот воды в экосистемах

Здесь различают 4 фазы:

перехват, т.е. поглощение воды листьями, кроной, до того как она достигнет почвы;

эвапотранспирация: (лат. evaporatio — испарение, transpirere — испарение растениями) — отдача воды экосистемой в атмосферу за счет ее биологического испарения растениями и испарения с поверхности почвы;

инфильтрация — просачивание воды в почву, затем перенос грунтовых вод и испарение;

сток — потеря воды экосистемой за счет ее стока в ручьи, реки и затем в моря, океаны.

Величина эвапотранспирации — это сумма биологической тран-спирации воды растениями и испарения ее с поверхности почвы. В Европе она оценивается как 3-7 тыс. т/га в год, из них около 1 тыс. т/га за год воды испаряется с поверхности почвы.

Велика биологическая транспирации воды растениями, что необходимо для извлечения питательных веществ и поддержания температурного режима тканей. Так, за день одна береза испаряет 75 л воды, бук — 100 л, липа — 200 л, 1 га леса — 50000 л.

Коэффициент транспирации — количество воды, транспирируемое растением в сезон для создания 1 кг сухого вещества. Он весьма велик и составляет от 300 до 1000 в зависимости от вида растения. Например, для получения 1 т зерна требуется от 250 до 550 т воды.

Пример схемы круговорота воды

Рассмотрим типичное распределение осадков, количество которых составило 770 мм/год.

Эвапотранспирация воды идет в объеме 400 мм/год и слагается из следующих видов (мм/год): перехват кронами — 10, транспирация растениями — 290, испарение с поверхности почвы — 100.

Поверхностный сток воды, равный испарению воды с поверхности моря, составляет 370 мм/год. Его слагаемые (мм/год):

подземный сток — 80

физическое испарение — 265

нужды человека — 25

Как видно из примера, растениями транспирируется почти 40% воды [« (290 / 770)-100%]. Однако на формирование биомассы используется лишь около 1% воды [« (10 / 770)-100%].

На бытовые нужды человеком расходуется порядка 3% воды.

В отличие от углерода, азота и фосфора вода проходит через экосистемы почти без потерь.

Круговорот воды относится к большому (геологическому), а круговороты биогенных элементов (углерода, кислорода, азота, фосфора, серы и др.) – к малому (биогеохимическому) круговороту.

Круговорот воды.Он осуществляется между сушей и океаном через атмосферу. 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. км 3 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 расходуется и восстанавливается за 2 млн лет.

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

Главным резервуаром биологически связанного углерода являются леса, они содержат до 500 млрд т этого элемента, что составляет 2/3 его запаса в атмосфере [3]. Вмешательство человека в круговорот углерода (сжигание угля, нефти, газа, дегумификация) приводит к возрастанию содержания СО₂ в атмосфере и развитию парникового эффекта. Скорость круговорота СО₂, т.е. 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 (О₂) 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 могут поглощать азот 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 слишком велико, что часто наблюдается при неправильном применении азотных удобрений, то происходит загрязнение вод и продуктов питания, а это, в свою очередь, вызывает заболевания человека.

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

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 сульфат-иона (SО₄ 2– ), в газообразной фазе – в виде сероводорода (Н₂S) или сернистого газа (SО₂). В некоторых организмах сера накапливается в чистом виде (S) и при их отмирании на дне морей образуются залежи самородной серы.

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

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

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

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

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.

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).

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.

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).

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.

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.

Читайте также: