Биологические круговороты веществ в биосфере

Малый круговорот веществ (биогеохимический, биологический), в отличие от большого, совершается лишь в пределах биосферы. Сущность его заключается в образовании живого вещества из неорганических соединений в процессе фотосинтеза и в превращении органического вещества при разложении вновь в неорганические соединения. Его называют биологический, так как он является главным для жизни, он сам – порождение жизни, является очень важным.

Биологический (малый) круговорот обладает более ничтожной энергией в сравнении с геологическим. Главным источником этого круговорота является солнечная радиаций, которая лежит в основе фотосинтеза. Солнечная радиация по поверхности земного шара распределяется крайне неравномерно. Например, на экваторе количество солнечного излучения не единицу площади в 3 раза больше, чем на Шпицбергене[6]. От падающей на Землю солнечной энергии всего 2% – 3% затрачивается на создание органического вещества, до 50% – на большой круговорот (рисунок).

Рисунок – Поступление и распределение солнечной радиации и биосфере

Биогеохимический цикл – круговорот отдельных химических элементов и простых веществ (СО₂, Н₂О) в процессе взаимодействия с атмосферой, гидросферой и литосферой (В.И. Вернадский). Суть циклов в том, что химические элементы, из которых состоит любой организм, после его смерти переходят и абиотическую среду, взаимодействуют с ней, затем через какое-то время вновь попадают в живой организм. После отмирания организма все опять повторяется. Такие элементы называются биофильными. Их циклами в природе обеспечиваются основные средообразующие функции живого вещества (В.И. Вернадский):

1. Газовая – основные газы атмосферы (O₂, N₂) – биогенного происхождения, как и все подземные газы – продукт разложения отмершей органики.

2. Концентрационная – организмы накапливают в своих телах многие химические элементы: C (основной), Ca, Si (диатомовые водоросли), I (ламинария), P (скелеты животных).

3. Окислительно-восстановительная – организмы, обитающие в водоемах, регулируют кислородный режим и создают условия для растворения и осаждения металлов (V, Mn, Fe) и неметаллов (S).

4. Биохимическая – размножение, рост и перемещение в пространстве.

Биогеохимическая деятельность человека – охватывает практически всю Землю – от недр нефти до космоса. Человек использует огромное количесвто веществ биогенного происхождения, находящихся в земной коре (уголь, газ, нефть, горючие сланца, минералы).

Биогеохимический цикл углерода, точнее обычно говорят о цикле наиболее подвижной его формы – СО₂, четко прослеживается трофическая цепь: продуценты, улавливающие СО₂ из атмосферы при фотосинтезе, консументы – поглощающие углерод вместе с телами продуцентов и консументов низших порядков, редуценты – возвращающие углерод вновь в круговорот. Скорость оборота СО₂, составляет порядка 300 лет (полная его замена в атмосфере).

Особенности цикла в Мировом океане: трофическая цепь: продуценты (фитопланктон) — консументы (зоопланктон, рыбы) — редуценты (микроорганизмы) — осложняется тем, что некоторая часть углерода мертвого организма, опускаясь на дно, «уходит» в оса­дочные породы и участвует уже не в биологическом, а в геологическом круговороте вещества.

Главным резервуаром биологически связанного углерода яв­ляются леса, они содержат 2/3 его запаса в атмосфере. Вмешательство челове­кам круговорот этого элемента приводит к возрастанию содер­жания СО₂ в атмосфере и изменению климата на Земле.

Рисунок. Биогеохимический цикл углерода

Биогеохимический цикл кислорода более сложен, чем углерода, так как этот элемент входит в состав многих химических соединений. Подсчитано, что

В количественном отношении кислород – главная составляющая живой материи. Например, если учитывать воду, которая содержится в тканях, то тело человека содержит 62,8% кислорода и 19,4% углерода. В целом в биосфере этот элемент по сравнению с углеродом и водородом является основным среди простых веществ. В пределах биосферы происходит быстрый обмен кислорода с живыми организмами или их остатками после гибели. Растения, как правило, производят свободный кислород, а животные являются его потребителями путем дыхания. (рисунок). Потребление атмосферного кислорода и его возмещение первичными продуцентами происходит сравнительно быстро. Подсчитано, что весь объем кислорода атмосферы за 2000 лет проходит через живое вещество. Основной поставщик кислорода – зеленые растения, а главные потребители – животные, человек и почвенные организмы и растения, использующие его в процессе дыхания. В наше время фотосинтез и дыхание в природных условиях, без учета деятельности человека, с большой точностью уравновешивают друг друга. В связи с этим накопления кислорода в атмосфере не происходит, и его содержание (20,946%) остается постоянным.

Биогеохимический цикл азота достаточно сложен, поскольку охватывает все области биосферы. Запасы азота в атмосфере, неисчерпаемы (78% ее объема). Поглощение его растениями ограничено, так как они усваивают азот только в форме соединения его с водородом и кислородом (иона аммония NH₄⁺ или нитрата NO₃^-). Процесс превращения газообразного азота в аммонийную форму носит название азотфиксации. Он происходит с помощью некоторых почвенных бактерий и синезеленых водорослей. Бактерии (род Rhizobium) образуют симбиотические связи с бобовыми растениями, клубеньки на корнях растений. Растения обеспечивают бактерий местообитанием и пищей (сахара), получая взамен от них доступную форму азота. Среди последних наибольшее значение имеют клевер и люцерна, на одном га может накапливаться в год от 150 до 400 кг азота.

Азот после потребления его растениями участвует в синтезе протеинов, которые, сосредоточиваясь в листьях растений, являются пищей для консументов и так далее по пищевой цепи. Из организмов растений и животных азот выходит в виде мочевины.

В почве идут и обратные процессы с помощью деятельности бактерий-денитрификаторов. Они за год могут выделять в атмосферу до 50-60 кг азота с 1 га. Процесс нитрификации, состоящий из цепи реакций, где при участии микроорганизмов осуществляется окисление иона аммония (NH⁴⁺) до нитрита (NO^2-) или нитрита до нитрата (NО^3-). Восстановление нитритов и нитратов до газообразных соединений молекулярного азота (N₂) или окиси азота (N₂O) составляет сущность процесса денитрификации.

Рисунок. Биогеохимический цикл азота

В целом же среднее поступление нитратного азота абиотического происхождения при осаждении из атмосферы в почву не превышает 10 кг (год/га), свободные бактерии дают 25 кг (год/га), в то время как симбиоз Rhizobium с бобовыми растениями в среднем продуцирует 200 кг (год/га). Преобладающая часть связанного азота перерабатывается денитрифицирующими бактериями в N и вновь возвращается в атмосферу. Лишь около 10% аммонифицированного и нитрифицированного азота поглощается из почвы высшими растениями и оказывается в распоряжении многоклеточных представителей биоценозов.

Благодаря живой материи круговороты веществ и энергии на Земле организуются в виде биогеохимических циклов, о которых уже шла речь. Все круговороты тесно связаны между собой различными формами взаимодействия. Основными звеньями биогеохимических циклов выступают различные организмы, многообразие форм которых обуславливает интенсивность протекания круговоротов и вовлечение в них практически всех элементов земной коры.

Дата добавления: 2014-11-18