Круговорот веществ в природе

Процессы фотосинтеза продолжаются на нашей планете сотни миллионов лет. Казалось бы, все верхние слои литосферы должны представлять из себя огромные отложения мертвой органики. Между тем, запасы исходных материалов для процессов органического фотосинтеза конечны. Слой почвы редко превышает толщину 80-100 см. Единственная возможность придать конечному свойство бесконечного – это вовлечь конечное в круговорот.

Ежегодно на нашей планете образуются около 10¹¹ тонн биомассы. Ее остатки образуют каждый год слой толщиной порядка 0,5 мм. За 200 млн. лет, если бы не было круговорота веществ, слой мертвой органики достиг бы толщины 100 км.

Рис. 5. Круговорот вещества и передача энергии в биогеоценозе

Выделяют два основных круговорота: большой (геологический) и малый (биотический). Большой круговорот – разрушение горных пород и их перенос потоками воды в мировой океан. Здесь возникают морские пласты, которые частично возвращаются на сушу с осадками и водными организмами. Крупные геотектонические изменения протекают с малозаметными скоростями – поднятие морского дна, опускание материалов, перемещение морей и океана. Вследствие таких перемен морские пласты вновь возвращаются на сушу.

Малый круговорот является частью большого круговорота и протекает на уровне биогеоценоза. Питательные вещества почвы, вода, углерод, аккумулируются в веществе растений и расходуются на построение тканей живых организмов. Продукты распада погибающих растений и животных вновь попадают в почву, где перерабатываются микроорганизмами.

На геологический круговорот расходуется около 50 % поступающей на Землю солнечной энергии. Ежегодно на Землю поступает около 21×10²⁰ кДж солнечной энергии, из них около половины расходуется на испарение воды, обеспечивая геологический круговорот воды. На создание органического вещества в процессе фотосинтеза в среднем расходуется 1 % фотохимической активной радиации Солнца. За счёт этой энергии и существуют все живые организмы. Следовательно, биотический круговорот обладает более низкой энергией по сравнению с геологическим круговоротом.

Биотический круговорот углерода – составная часть большого круговорота. Он связан с жизнедеятельностью организмов. Углерод атмосферы, содержащийся в СО ₂, это сырье для процессов фотосинтеза. Растительные ткани поедаются консументами разных уровней и после деструкции органики углерод вновь возвращается в атмосферу. Биотехнический круговорот углерода связан со сжиганием топлива. Основная часть углерода на нашей планете находится в виде карбонатных отложений на дне океана.

Азот участвует как в большом, так и в малом круговороте. В воде это неорганические соединения азота, а в составе растительных и живых белков – это аминокислоты. Органические соединения азота после гибели организма подвергаются аммонификацией и нитрификацией, частично вновь усваивается растениями, частично восстанавливается до свободного азота, который в почве способен переходить в растения с помощью клубеньковых бактерий.

Существуют круговороты других биотических элементов: фосфора, кислорода и т.д. Связывая азот и углерод в минеральные удобрения, сжигая углеродсодержащие топлива, человек вмешивается в процессы круговорота различных элементов. В результате он зачастую вынужден сам полностью управлять химией окружающей среды.

В отличие от большого круговорота, время переноса биогенных элементов гораздо меньше. Так атмосферный углерод полностью вовлекается в процессы круговорота за 8 лет. Общее время круговорота азота атмосферы около 110 лет. Круговорот кислорода атмосферы протекает примерно 2500 лет.