Малый (биогеохимический) круговорот веществ в биосфере

В отличие от большого, малый круговорот веществ совершается лишь в пределах биосферы. Сущность его в образовании живого вещества из неорганических со­единений в процессе фотосинтеза и в превращении органического ве­щества при разложении вновь в неорганические соединения.

Этот круговорот для жизни биосферы - главный, и он сам являет­ся порождением жизни. Изменяясь, рождаясь и умирая, живое вещест­во поддерживает жизнь на нашей планете, обеспечивая биогеохимический круговорот веществ. Главным источником энергии круговорота является солнечная радиация, которая порождает фотосинтез.

Круговорот отдельных веществ В.И. Вернадский назвал биогеохимическими циклами. Суть цикла в следующем: химические эле­менты, поглощенные организмом, впоследствии его покидают, уходя в абиотическую среду, затем, через какое-то время, снова попадают в живой организм и т. д. Такие элементы называют биофильными. Эти­ми циклами и круговоротом в целом обеспечиваются важнейшие функции живого вещества в биосфере.

Выделяют следующие основные геохимические функции живого вещества.

1. Энергетическая (биохимическая) – связывание и запасание солнечной энергии в органическом веществе и последующее рассеяние энергии при потреблении и минерализации органического вещества. Эта функция связана с питанием, дыханием, размножением и другими процессами жизнедеятельности организмов. Основной источник биогеохимической активности организмов – солнечная энергия, используемая в процессе фотосинтеза зелеными растениями и некоторыми микроорганизмами для создания органического вещества, обеспечивающего пищей и энергией все остальные организмы.

2. Газовая – способность изменять и поддерживать определенный газовый состав среды обитания и атмосферы в целом. В частности, включение углерода в процессы фотосинтеза, а затем в цепи питания обусловило аккумуляцию его в биогенном веществе (органические остатки, известняки и т.п.). В результате этого шло постепенное уменьшение содержания углерода и его соединений, прежде всего двуокиси, в атмосфере с десятков процентов до современных 0,03 %. Это же относится и к накоплению в атмосфере кислорода, образованию озона и другим процессам. С газовой функцией живого вещества связаны два переломных периода (точки) в развитии биосферы. Первая из них относится ко времени, когда содержание кислорода в атмосфере достигло примерно 1 % от современного уровня (первая точка Пастера). Это обусловило появление первых аэробных организмов (способных жить только в среде, содержащей кислород). С этого времени восстановительные процессы в биосфере стали дополняться окислительными. Это произошло примерно 1,2 млрд лет назад. Второй переломный период связывают со временем, когда концентрация кислорода достигла примерно 10 % от современной (вторая точка Пастера). Это создало условия для синтеза озона и образования озонового слоя в верхних слоях атмосферы, что обусловило возможность освоения организмами суши (до этого функцию защиты организмов от губительных ультрафиолетовых лучей выполняла вода, под слоем которой возможна была жизнь).

3. Концентрационная – «захват» из окружающей среды живыми организмами и накопление в них (в большей степени, чем в окружающей среде) атомов биогенных химических элементов. Питание, дыхание и размножение организмов и связанные с ними процессы создания, накопления и распада органического вещества обеспечивают постоянный круговорот вещества и энергии. С этим круговоротом связана миграция атомов химических элементов (прежде всего, биогенных – С, Н, О, N, Р, S, Fe, Mg, Ca, Na, K, Mo, Mn, Cu, Zn и др.). В ходе биогеохимических циклов атомы большинства химических элементов проходили через живое вещество бесчисленное число раз. Так, например, весь кислород атмосферы оборачивается через живое вещество за 2000 лет, углекислый газ – за 200...300 лет, а вся вода биосферы – за 2 млн лет. Разные организмы в разной степени способны аккумулировать из среды обитания различные элементы, например, железобактерии накапливают железо; простейшие фораминиферы, а также многие моллюски и кишечнополостные – кальций; хвощи, диатомовые водоросли, радиолярии и др. – кремний; губки – йод; асцидии – ванадий и т.д. Концентрационная способность живого вещества повышает содержание атомов химических элементов в организмах по сравнению с окружающей средой на несколько порядков. Содержание углерода в растениях в 200 раз, а азота в 30 раз превышает их уровень в земной коре. Содержание марганца в некоторых бактериях может быть в миллионы раз больше, чем в окружающей среде. Результат концентрационной деятельности живого вещества – образование залежей горючих ископаемых, известняков, рудных месторождений и т.п.

4. Окислительно-восстановительная – окисление и восстановление различных веществ с помощью живых организмов. Под влиянием живых организмов происходит интенсивная миграция атомов элементов с переменной валентностью (Fe, Mn, Cr, S, P, N, W), создаются их новые соединения, происходит отложение сульфидов и минеральной серы, образование сероводорода и т.п.

5. Деструктивная – разрушение организмами и продуктами их жизнедеятельности, в т.ч. и после их смерти, как остатков органического вещества, так и косных веществ. Наиболее существенную роль в этом отношении играют редуценты (деструкторы) – сапротрофные грибы и бактерии.

6. Транспортная – перенос вещества и энергии в результате активной формы движения организмов. Такой перенос может осуществляться на огромные расстояния, например, при миграциях и кочевках животных. С транспортной функцией в значительной мере связана концентрационная роль сообществ организмов, например, в местах их скопления (птичьи базары и другие колониальные поселения).

7. Средообразующая – преобразование физико-химических параметров среды. Эта функция в значительной мере является интегральной, т.е. представляет результат совместного действия других функций. Она имеет разные масштабы проявления. Результатом средообразующей функции является и вся биосфера, и почва как одна из сред обитания, и более локальные структуры. К средообразующим свойствам растительного покрова относятся: создание микроклимата, очистка воздуха и вод от загрязняющих веществ, усиление питания грунтовых вод, защита почв от эрозии и т.п.

8. Рассеивающая – функция, противоположная концентрационной – рассеивание веществ в окружающей среде. Она проявляется через трофическую и транспортную деятельность организмов. Например, рассеивание вещества при выделении организмами экскрементов, смене покровов и т.п. Железо гемоглобина крови рассеивается кровососущими насекомыми.

9. Информационная – накопление живыми организмами определенной информации, закрепление ее в наследственных структурах и передача последующим поколениям. Это – одно из проявлений адаптационных механизмов.

10. Биогеохимическая деятельность человека – превращение и перемещение веществ в результате человеческой деятельности для хозяйственных и бытовых нужд человека. Например, использование концентраторов углерода – нефти, угля, газа и др.

Таким образом, биосферу можно определить как сложную динамическую систему, осуществляющую улавливание, накопление и перенос энергии путем обмена веществ между живым веществом и окружающей средой.

В связи с этим следует отметить, лишь один-единственный на Земле процесс, который не тратит, а, наоборот, связывает солнечную энергию и даже накапливает ее – это создание органического вещества в результате фотосинтеза. В связывании и запасании солнечной энергии и заключается основная планетарная функция живого веще­ства на Земле.

Являясь планетарной экосистемой, биосфера состоит из экосистем всех уровней, и первоочередное значение для ее гомеостаза имеют целостность и устойчивость природных экосистем. Таким образом, всеобщий гомеостаз биосферы зависит от стабильности биогеохимического круговорота вещества в природе. В связи с этим следует отметить, лишь один-единственный на Земле процесс, который не тратит, а, наоборот, связывает солнечную энергию и даже накапливает ее – это создание органического вещества в результате фотосинтеза. В связывании и запасании солнечной энергии и заключается основная планетарная функция живого веще­ства на Земле.

В экосистеме органические вещества синтезируются из неорганических автотрофами. Затем они потребляются гетеротрофами. В результате выделения в процессе жизнедеятельности или после гибели организмов органические вещества подвергаются минерализации, т.е. превращению в неорганические вещества, которые могут быть вновь использованы для синтеза автотрофных органических веществ.

В биогеохимических круговоротах различают две части:

1) резервный фонд – часть вещества, не связанная с живыми организмами;

2) обменный фонд – значительно меньшая часть вещества, связанная прямым обменом между организмами и их непосредственным окружением.

В зависимости от расположения резервного фонда биогеохимические круговороты делят на два типа:

1) круговороты газового типа с резервным фондов в атмосфере и гидросфере (круговороты углерода, кислорода, азота);

2) круговороты осадочного типа с резервным фондом в земной коре (круговороты кальция, фосфора, железа и др.).

Круговороты газового типа более совершенны, т.к. обладают большим обменным фондом и способны к быстрой саморегуляции. Круговороты осадочного типа менее совершенны, они более инертны, т.к. основная масса вещества содержится в резервном фонде земной коры в недоступном живым организмам виде. Они легко нарушаются от различного рода воздействий, и часть обмениваемого материала выходит из круговорота. Возвратиться в круговорот она может лишь в результате геологических процессов или путем извлечения живым веществом. Однако извлечь нужные живым организмам вещества из земной коры гораздо сложнее, чем из атмосферы.

На рис. 2.2, 2.3 и 2.4 приведены схемы круговоротов газового типа, а на рис. 2.5 – осадочного.

Интенсивность биологического круговорота в первую очередь определяется температурой окружающей среды и количеством воды. Так, например, биологический круговорот интенсивнее протекает во влажных тропических лесах, чем в тундре. Кроме того, в тундре биологические процессы протекают только в теплое время года.

Круговорот углерода. Основной биологический круговорот углерода протекает следующим образом. 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.

Геохимический цикл углерода, протекающий миллионы лет, начинается на суше, где происходит выветривание (химическое разрушение) горных пород – карбонатов (СаСО₃) и силикатов (CaSiO₃). Основное вещество, фигурирующее в этой реакции, – угольная кислота (H₂СО3), которая образуется в почве в результате соединения углекислоты, выделяющейся при разложении органических остатков, и воды.

Взаимодействие угольной кислоты с карбонатами и силикатами приводит к образованию ионов кальция (Са²⁺) и бикарбоната, а также растворенного в воде кремнезема (SiO₂). Все эти компоненты попадают в реки и выносятся в океан, где используются всевозможными морскими организмами для построения раковин, состоящих из СаСО₃, и при этом СО₂ снова выделяется в окружающую среду.

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 (сжигание угля, нефти, 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.

Рис. 2.2. Круговорот углерода в биосфере

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 (см. рис. 2.3).

Рис. 2.3. Круговорот кислорода в биосфере

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 (почти ¾) продуцируется растениями суши, 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 поглощать свободный азот не могут, а только в связанной форме, в основном в виде NH₄⁺ или NO₃^-. 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 (деструкторы) минерализуют органические вещества и превращают их в аммонийные соединения, нитраты, нитриты, а также в свободный азот, который возвращается в атмосферу (см. рис. 2.4).

Рис. 2.4. Круговорот азота в биосфере

Нитраты и нитриты хорошо растворимы в воде и могут мигрировать в подземные воды и растения и передаваться по пищевым цепям. Если их количество излишне велико, что часто наблюдается при неправильном применении азотных удобрений, то происходит загрязнение вод и продуктов питания, и вызывает заболевания человека.

Круговорот фосфора. Примером биогеохимического цикла осадочного типа является круговорот фосфора. Фосфор – один из наиболее важных биогенных элементов. Он входит в состав нуклеиновых кислот, клеточных мембран, ферментов, костной ткани, дентина. Недостаток фосфора в почве ограничивает рост растений. Основная масса фосфора содержится в горных породах, образовавшихся в прошлые геологические эпохи. В биогеохимический круговорот фосфор включается в результате процессов выветривания фосфатных горных пород, а также вследствие минерализации продуктов жизнедеятельности и органических остатков растений и животных.

В наземных экосистемах растения извлекают фосфор из почвы (в основном в форме фосфатов – 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. При неправильном применении фосфорных удобрений, водной и ветровой эрозии почв большие количества фосфора удаляются из почвы. С одной стороны это приводит к перерасходу фосфорных удобрений и истощению запасов фосфорсодержащих руд (фосфоритов, апатитов и др.). С другой стороны, поступление из почв в водоемы больших количеств таких биогенных элементов как фосфор, азот, сера и др. вызывает бурное развитие сине-зеленых водорослей и др. водных растений («цветение воды») и эвтрофикацию (эвтрофирование) водоемов. Но большая часть фосфора уносится в море.

В водных экосистемах фосфор усваивается фитопланктоном и передается по трофической цепи вплоть до морских птиц. Их экскременты (гуано) либо сразу попадают назад в море, либо сначала накапливаются на берегу, а затем все равно смываются в море.

Рис. 2.5. Круговорот фосфора в биосфере

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, т.е. выключается из биогеохимического круговорота.

Круговорот серы. Основной резервный фонд серы находится в отложениях и в почве, но в отличие от фосфора имеется резервный фонд и в атмосфере (рис. 2.5). Главная роль в вовлечении серы в биогеохимический круговорот принадлежит микроорганизмам. Одни из них восстановители, другие - окислители.

Рис. 2.5. Круговорот серы в биосфере

В горных породах сера встречается в виде сульфатов (FeS₂ и др.), в растворах – в форме сульфат-иона (SO₄^2-), в газообразной фазе – в виде сероводорода (H₂S) или сернистого газа (SO₂). В некоторых морских 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 содержится в белках, в виде ионов и т.д. После гибели живых организмов часть серы восстанавливается в почве микроорганизмами до H₂S, 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, приводит к накоплению в атмосфере сернистого газа, который, реагируя с парами воды, выпадает на землю в виде кислотных дождей.

Антропогенный круговорот веществ возник с появлением человека, деятельность которого является его движущей силой. Биогеохимические циклы не столь масштабны как геологические и в значительной степени подвержены влиянию человека. Хозяйственная деятельность человека нарушает их замкнутость, они становятся ациклическими.

Выделяют две составляющих антропогенного круговорота: а) биологическую, связанную с функционированием человека как живого организма; и б) техническую, связанную с хозяйственной деятельностью людей (техногенный круговорот обмен).

Геологический и биологический круговороты в значительной степени замкнуты, чего нельзя сказать об антропогенном круговороте. Незамкнутость антропогенного круговорота веществ приводит к истощению природных ресурсов и загрязнению природной среды, что и является основной причиной всех экологических проблем человечества. Охрана природных ресурсов должна быть, в частности, направлена на то, чтобы ацикли­ческие биогеохимические процессы превратить в циклические.