Биогеохимические циклы наиболее важных для жизни организмов биогенных веществ

Наиболее жизненно важными можно считать вещества, из которых, в основном, состоят белковые молекулы.

К ним относятся углерод, азот, кислород, фосфор, сера.

Биогеохимические циклы углерода, азота и кислорода (рис. 6.9) наиболее совершенны.

Благодаря большим атмосферным резервам, они способны к быстрой саморегуляции.

В круговороте углерода, а точнее ¾ наиболее подвижной его формы ¾ CO₂, четко прослеживается трофическая цепь:

продуценты ¾ улавливающие углерод из атмосферы при фотосинтезе,

консументы ¾ поглощающие углерод вместе с телами продуцентов и консументов низших порядков,

редуцентов ¾ возвращающих углерод вновь в круговорот.

Скорость оборота CO₂ составляет порядка 300 лет (полная его замена в атмосфере и других элементов цикла (рис.6.10).

Рис. 6.9. Схема биогеохимического круговорота веществ на суше (по Р. Кашанову, 1984)

Рис. 6.10. Темпы циркуляции веществ (Клауд и Джибор, 1972)

В Мировом океане трофическая цепь:

¾ продуценты (фитопланктон)

¾ консументы (зоопланктон, рыбы)

¾ редуценты (микроорганизмы) ¾ 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 до 500 млрд т этого элемента, что составляет ²/₃ его запаса в атмосфере.

Вмешательство человека в круговорот углерода приводит к возрастанию содержания CO₂ в атмосфере.

Скорость круговорота кислорода ¾ 2000 лет (рис. 6.10), именно за это время весь кислород атмосферы проходит через живое вещество.

Основной поставщик кислорода на Земле ¾ зеленые растения. Ежегодно они производят на суше 53 × 10⁹ т кислорода, а в океанах ¾ 414 × 10⁹ т.

Главный потребитель кислорода ¾ животные, почвенные организмы и растения, использующие его в процессе дыхания.

Процесс круговорота кислорода в биосфере весьма сложен, так как он содержится в очень многих химических соединениях.

Подсчитано, что на промышленные и бытовые нужды ежегодно расходуется 23% кислорода, который освобождается в процессе фотосинтеза.

Предполагается, что ближайшее время весь продуцированный кислород будет сгорать в топках, а следовательно, необходимо значительное усиление фотосинтеза и другие радикальные меры.

Биогеохимический круговорот азота не менее сложен, чем углерода и кислорода, и охватывает все области биосферы.

Поглощение его растениями ограничено, так как они усваивают азот только в форме соединения его с водородом и кислородом. И это при том, что запасы азота в атмосфере неисчерпаемы (78% от ее объема).

Редуценты (деструкторы), а конкретно почвенные бактерии, постепенно разлагают белковые вещества отмерших организмов и превращают их в аммонийные соединения, нитраты и нитриты.

Часть нитратов попадает в процессе круговорота в подземные воды и загрязняет их.

Опасность заключается также и в том, что азот в виде нитратов и нитритов усваивается растениями и может передаваться по пищевым (трофическим) цепям.

Азот возвращается в атмосферу вновь с выделенными при гниении газами.

Роль бактерий в цикле азота такова, что если будет уничтожено только 12 их видов, участвующих в круговороте азота, жизнь на Земле прекратится.

Так считают американские ученые.

Биогеохимический круговорот в биосфере помимо кислорода, углерода и азота совершают и многие другие элементы, входящие в состав органических веществ ¾ сера, фосфор, железо и др.

Биогеохимические циклы фосфора и серы, важнейших биогенных элементов, значительно менее совершенны, так как основная их масса содержится в резервном фонде земной коры, в «недоступном» фонде.

Круговорот серы и фосфора ¾ типичный осадочный биогеохимический цикл.

Такие циклы 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 биофильных компонентов.

Фосфор содержится в горных породах, образовавшихся в прошлые геологические эпохи.

В биогеохимический круговорот (рис. 6.11) он может попасть в случае подъема этих пород из глубины земной коры на поверхность суши, в зону выветривания.

Эрозионными процессами он выносится в море в виде широко известного минерала ¾ апатита.

Рис. 6.11. Круговорот фосфора в биосфере (по П. Дювиньо, М. Тангу, 1973; с изменениями)

Общий круговорот фосфора можно разделить на две части ¾ водную и наземную.

В водных экосистемах он усваивается фитопланктоном и передается по трофической цепи вплоть до консументов третьего порядка ¾ морских птиц.

Их экскременты (гуано) снова попадают в море и вступают в круговорот, либо накапливаются на берегу и 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.

В наземных экосистемах фосфор извлекается растениями из почв и далее он распространяется по трофической сети.

Возвращается в почву после отмирания животных и растений и с их экскрементами.

Теряется фосфор из почв в результате их водной эрозии.

Повышенное содержащие фосфора на водных путях его переноса вызывает бурное увеличение биомассы водных растений, «цветение» водоемов и их эвтрофикацию. Большая же часть фосфора уносится в море и там теряется безвозвратно.

Последнее обстоятельство может привести к истощению запасов фосфорсодержащих руд (фосфоритов, апатитов и др.).

Следовательно, надо стремиться избежать этих потерь и не ожидать того времени, когда Земля вернет на сушу «потерянные отложения».

Сера также имеет основной резервный фонд в отложениях и почве, но, в отличие от фосфора, имеет резервный фонд и в атмосфере (рис. 6.12).

В обменном фонде главная роль принадлежит микроорганизмам. Одни из них ¾ восстановители, другие ¾ окислители.

Рис. 6.12. Круговорот серы (по Ю. Одуму, 1975):

«Кольцо» в центре схемы иллюстрирует процессы окисления (О) и восстановления (R), благодаря которым происходит обмен серы между фондом доступного сульфата (SO₄) и фондом сульфидов железа, находящихся глубоко в почве и в осадках

В горных породах сера встречается в виде сульфидов (FeS₂ и др.), в растворах ¾ в форме иона (SO₄)₂, в газообразной фазе в виде сероводорода (H₂S) или сернистого газа (SO₂).

В некоторых организмах сера накапливается в чистом виде (S₂) и при их отмирании на дне морей образуются залежи самородной серы.

В морской среде сульфат-ион занимает второе место по содержанию после хлора и является основной доступной формой серы, которая восстанавливается автотрофами и включается в состав аминокислот.

Круговорот серы, хотя ее требуется организмам в небольших количествах, является ключевым в общем процессе продуцирования и разложения (Ю. Одум, 1986).

Например, при образовании сульфидов железа, фосфор переходит в растворимую форму, доступную для организмов.

В наземных экосистемах сера возвращается в почву при отмирании растений, захватывается микроорганизмами, которые восстанавливают ее до H₂S.

Другие организмы и воздействие самого кислорода приводят к окислению этих продуктов.

Образовавшиеся сульфаты растворяются и поглощаются растениями из поровых растворов почвы ¾ так продолжается круговорот.

Однако круговорот серы, так же как и азота, может быть нарушен вмешательством человека (см. рис. 6.12).

Виной тому прежде всего сжигание ископаемого топлива, а особенно угля.

Сернистый газ (SO₂­) нарушает процессы фотосинтеза и приводит к гибели растительности.

Биогеохимические циклы легко нарушаются человеком.

Так, добывая минеральные удобрения, он загрязняет воду и воздушную среду.

В воду попадает фосфор, вызывая эвтрофикацию, азотистые высокотоксичные соединения и др.

Иными словами, круговорот становится не циклическим, а ациклическим.

Охрана природных ресурсов должна быть направлена на то, чтобы ациклические процессы превратить в циклические.

Таким образом, всеобщий гомеостаз биосферы зависит от стабильности биогеохимического круговорота веществ в природе.

Но являясь планетарной экосистемой, она состоит из экосистем всех уровней, первоочередное значение для ее гомеостаза имеют целостность ее и устойчивость природных экосистем.

Контрольные вопросы

1. Какое место биосфера занимает среди оболочек Земли и в чем ее коренное отличие от других оболочек?

2. Из чего состоят абиотическая и биотическая части биосферы как глобальной экосистемы?

3. Что понимал В. И. Вернадский под живым веществом планеты?

4. Какие биохимические принципы лежат в основе биогенной миграции?

5. Как осуществляется большой круговорот веществ, в том числе большой круговорот воды, в природе?

6. Какие важнейшие функции живого вещества обеспечиваются посредством малого круговорота веществ в природе?

7. Какова роль резервного и обменного фондов в биогеохимическом круговороте веществ?

8. В чем особенности биогеохимических циклов основных биогенных элементов?

Дата добавления: 2014-11-07