Для жизни элементов

Биогеохимические циклы наиболее важных

В ПРИРОДЕ

ЛЕКЦИЯ 6. КРУГОВОРОТ ВЕЩЕСТВ

В природе происходят два основных круговорота веществ: большой (геологический) и малый (биогеохимический). Большой круговорот (геологический) обусловлен взаимодействием солнечной энергии с глубинной энергией Земли. К большому круговороту веществ относится круговорот воды между сушей и океаном через атмосферу. Влага, испарившаяся с поверхности океана, частично переносится на сушу, где выпадает в виде осадков, которые вновь возвращаются в океан в виде поверхностного и подземного стока, а другая часть влаги в виде осадков выпадает на эту же водную поверхность океана. В круговороте воды на Земле ежегодно участвует более 500 тыс. км³ воды. Малый круговорот веществ (биогеохимический) совершается только в пределах биосферы. Сущность его заключается в образовании живого вещества из неорганического в процессе фотосинтеза и в превращении органического вещества при разложении вновь в неорганические соединения. Химические элементы формируют замкнутую систему (цикл), в которой атомы используются многократно. Круговороты отдельных элементов В.И. Вернадский назвал биогеохимическими циклами. Суть цикла состоит в следующем: химические элементы, поглощённые организмом, впоследствии его покидают, выходя в абиотическую среду, а через некоторое время, снова поступают в живой организм и т. д. Эти элементы принято называть биофильными.

В биогеохимических циклах различают две части: 1. резервный фонд – это огромная масса движущихся веществ, не связанных с организмами; 2. обменный фонд – значительно меньший, но очень активный, обусловленный прямым обменом биогенным веществом между организмами и их непосредственным окружением. В биосфере можно выделить 1. круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере и гидросфере; 2. осадочный цикл с резервным фондом в земной коре (в геологическом круговороте). Все эти циклические процессы расходуют солнечную энергию, и лишь единственный на Земле процесс связывает солнечную энергию и даже накапливает её – это создание органического вещества в результате фотосинтеза. В связывании и запасании солнечной энергии заключается основная планетарная функция живого вещества.

Круговорот углерода. В круговороте углерода, а точнее наиболее подвижной его формы – углекислого газа, прослеживается трофическая цепь: продуценты, улавливающие углерод из атмосферы при фотосинтезе, консументы, поглощающие углерод вместе с телами продуцентов и консументов низших порядков, редуценты, возвращающие углерод вновь в круговорот. Растения поглощают углекислый газ атмосферы в процессе фотосинтеза. Часть образовавшихся в ходе фотосинтеза углеводов используется самими растениями, другая часть потребляется животными. Углекислый газ выделяется в атмосферу в результате дыхания растений и животных. Мёртвые растения и животные разлагаются редуцентами, углерод их тканей окисляется и возвращается в окружающую среду. В Мировом океане часть углерода мертвого организма поступает в осадочные породы и участвует уже в геологическом круговороте. Основным резервуаром биологически связанного углерода являются леса. Вмешательство человека в круговорот этого элемента вызывает возрастание содержания углекислого газа в атмосфере.

Круговорот кислорода. Основным поставщиком кислорода на Земле являются зелёные растения. С круговоротом кислорода тесно связано образование в высоких слоях атмосферы озонового слоя. Главные потребители кислорода – животные, растения и другие аэробные организмы, расходующие его на дыхание. Для промышленных и бытовых нужд ежедневно используется 23 % кислорода, образовавшегося в процессе фотосинтеза.

Круговорот азота. Важнейшую роль в вовлечении азота в биотический круговорот играют азотфиксирующие бактерии. Молекулярный азот атмосферы способны усваивать только некоторые микроорганизмы и цианобактерии, переводя его в азотистые соединения. Азотфиксация является основным биологическим процессом, обогащающим почву связанным азотом. Высшие растения могут поглощать азот только после соединения его с водородом или кислородом. Азот в живых организмах присутствует в составе белков и нуклеиновых кислот. Остатки организмов на поверхности Земли и погребённые в толще пород подвергаются разложению при участии микроорганизмов. В результате процесса денитрификации при участии бактерий вновь образуется молекулярный азот, возвращающийся в атмосферу. При разложении белков образуются также аммиак и его производные. В атмосфере в результате нитрификации – окисления аммиака и аммонийных солей при участии бактерий образуются оксиды азота, являющиеся основой образования азотной кислоты. В результате соединения азотной кислоты с металлами образуются соли (нитраты). При участии денитрифицирующих бактерий соли азотной кислоты восстанавливаются до азотной кислоты и далее до свободного азота.

Циклы фосфора и серы представляют собой типичные осадочные биогеохимические циклы.

Круговорот фосфора. Фосфор содержится в горных породах и может быть вовлечён в круговорот в случае выветривания этих пород. В его биогеохимическом цикле можно выделить две части – водную и наземную. В водных экосистемах фосфор поглощается фитопланктоном и передаётся по трофической цепи вплоть до консументов третьего порядка – морских птиц. С их экскрементами фосфор снова поступает в море и включается в круговорот. Туда же он возвращается и из отмерших морских животных, но часть их скелетов достигает дна и он опять попадает в осадочные породы. В наземных экосистемах растения усваивают фосфор из почв, возвращается он в почву после отмирания организмов и с их экскрементами, а теряется из неё в результате водной эрозии.

Круговорот серы. Сера имеет основной резервный фонд в горных породах, почве и в атмосфере. В горных породах сера встречается в виде сульфидов (FeS₂ и др.), в растворах – в форме сульфат-иона (SO₄^2-), в газообразной фазе – в виде сероводорода (H₂S) и сернистого газа (SO₂). В морской среде сульфат-ион является главной доступной формой серы для автотрофов. В наземных экосистемах сера возвращается в почву при отмирании растений, окисляется, и образовавшиеся сульфаты поглощаются растениями из почвенных растворов. Однако круговорот серы может быть нарушен вмешательством человека: сернистый газ (SO₂), выделяющийся при сжигании топлива, нарушает процессы фотосинтеза и приводит к гибели растительности.

Деятельность человека способна легко нарушить биогеохимические циклы жизненно важных элементов. Таким образом, охрана природных ресурсов должна быть, в частности, направлена на то, чтобы циклические биогеохимические процессы не сделать ациклическими.

ЛЕКЦИЯ 7. КЛАССИФИКАЦИЯ

Дата добавления: 2014-01-20