Круговорот веществ и трансформации энергии в природе

Круговорот веществ и трансформация энергии в природе, в частности на планете Земля, это те процессы, которые при ограниченном количестве массы химических элементов, вовлеченных в период формирование нашей планеты в солнечной системе (около 4,5 млрд. лет тому назад) и при условии получения в последующем солнечной энергии, в состоянии поддерживать и обеспечивать эволюционное развитие биосферы – сферы жизни на планете Земля.

Механизм круговорота веществ на начальном этапе геохронологии под воздействием сил гравитации и энергии космических излучений, в первую очередь солнечной энергии, формировал строение и структуру твердых сфер Земли, а также её атмосферу и гидросферу. Этот кругооборот получил название большого. Он длится миллионы, сотни миллионов и даже миллиарды лет и продолжается и в настоящее время. В процессе этого круговорота веществ горные породы разрушаются, выветриваются и потоками вод сносятся в мировой океан, где образуются мощные морские напластования. При этом происходят крупные медленные тектонические изменения. Процессы опускания материков и поднятия морского дна, перемещение морей и океанов в течении длительного времени приводит к тому, что эти напластования возвращаются на сушу и процесс начинается вновь.

После зарождения жизни на Земле (около 3,5 млрд. лет тому назад) к больщому круговороту веществ добавился малый. И теперь на современном этапе геохронологии выделяют два типа круговорота веществ: - большой (геологический) и малый (биотический).

Малый круговорот, являясь частью большого, проходит на уровне биогеоценоза (экологических систем в узком значении их понимания) и заключается в том, что питательные вещества почвы, воды, воздуха аккумулируются в растениях, расходуются на создание их массы и процессы в них. Продукты распада органического вещества под воздействием бактерий, грибов, червей, моллюсков насекомых, простейших вновь разлагаются до минеральных компонентов, доступных растениям, и вовлекаются ими в поток обмена веществ.

Переход химических веществ из неорганической среды через растительные и животные организмы и затем обратно в неорганическую среду с использованием солнечной энергии и энергии химических реакций называется биогеохимическим циклом (собственно малый круговорот). Достаточно подробно биогеохимический цикл рассмотрен в подразделе 2.2.3. «Строение и функционирование экосистем».

Обобщая понятие круговорота веществ («большого» и «малого») можно привести следующее его определение.

Круговорот веществ – это повторяющиеся химические, физические и биологические процессы превращения и перемещения веществ в природе.

Общая масса вещества, всех химических элементов, слагающих планету, конечная величина. Вещества постоянно преобразуются, перемещаются в процессе большого круговорота, потребляются организмами из окружающей среды в малом круговороте, но они никуда не исчезают и не заканчиваются. Благодаря круговороту, они (вещества) приобретают свойство бесконечности.

Движущими силами геологического и биогеохимического круговоротов являются силы гравитации, энергия Солнца и деятельность живых организмов. При этом необходимо особо отметить, что в круговороте участвуют только вещества. Энергия же всегда «новоприточная», поступающая из вне (от Солнца, из открытого космоса) в виде сложного электромагнитного излучения. Энергия в процессе круговорота веществ может только трансформироваться в другие виды энергии (химических связей, тепловую), но никак не совершать каких бы то ни было круговоротов. При этом она безвозвратно расходуется на обеспечение процессов жизни (дыхания, наращивания биомассы) и рассеивается в среде переходя в тепловую энергию.

Трансформация энергии связан с круговоротом веществ. Малые круговороты веществ на суше и в океане не являются замкнутыми; они сменяют друг друга, не повторяя полностью предыдущие, так как интенсивность поступления солнечной энергии и степень участия отдельных компонентов биосферы в круговоротах изменяются во времени. Малые круговороты тесно связаны между собой и включаются в большой круговорот, охватывающий всю биосферу.

Значимую роль в круговороте веществ играет круговорот ряда основных биогенных химических элементов, таких как кислород, углерод, азот, фосфор и других, а также их соединений.

Круговорот атмосферного кислорода. Все организмы потребляют его при дыхании, выделяют кислород в окружающую среду только растения. Весь запас свободного кислорода, необходимого для жизни на нашей планете, создается растениями в процессе фотосинтеза, т.е. воздействием солнечной энергии (если не учитывать некоторой относительно небольшой доли кислорода, вырабатываемого в результате хемосинтеза). Ежегодно в результате фотосинтеза вырабатывается 200 млрд тонн кислорода, 150 млрд тонн органического вещества, усваивая при этом 300 млрд тонн СО₂. и 50 млрд т О₂

Запас свободного кислорода в атмосфере составляет 1,15*10¹⁵тонн.

В упрощенном виде реакцию фотосинтеза можно представить следующей формулой:

6СО₂ +   6Н₂О + 674 ккал =  С₆Н₁₂О₆ +  6О₂

300 млрд т    50 млрд т     солн. энергия    150 млрд т    200 млрд т

Реальный процесс фотосинтеза представляет собой цепь сложнейших реакций. Углеводы, образующиеся при фотосинтезе из углекислого газа и воды, превращаются в более сложные органические вещества и в самое сложное из них - белок.

Круговорот углерода. Наиболее характерен для процессов, происходящих в биосфере, круговорот углерода, который играет определяющую роль в формировании биосферы. Основной путь углерода – от углекислого газа в живое вещество и в обратном направлении. Часть углерода выходит из кругооборота, отлагаясь в осадочных породах океана или в ископаемых горючих веществах органического происхождения (торф, каменный уголь, нефть, горючие газы).

Обмен углекислым газом происходит также между атмосферой и океаном. Процесс регулирования содержания углекислого газа в океане можно представить реакцией

Ca(HCO₃)₂ <=>CaCO₃ + H₂O + CO₂

Всего в гидросфере содержится 13*10¹³тонн растворенного углекислого газа, а в атмосфере в 60 раз меньше (0,22*10¹³ т). Основная масса углерода аккумулирована в карбонатных отложениях дна океана (1,3*10¹⁶ т), кристаллических породах (1*10¹⁶ т), каменном угле и нефти (3,4*10¹⁵ т). Именно этот углерод принимает участие в медленном геологическом круговороте. Жизнь на Земле и газовый баланс атмосферы поддерживаются относительно небольшими количествами углерода, участвующего в малом кругообороте и содержащегося в растительных тканях (5*10¹¹ т) и в тканях животных (5*10⁹ т).

Круговорот азота. Молекулярный азот N₂, содержание которого в атмосфере чуть более 78%чрезвычайно инертен. Азот не поддерживает горения и дыхания. В воде азот менее растворим, чем кислород. И тем не менее он является чрезвычайно важным элементом в биогеохимическом цикле, поскольку входит в состав белков и др. органических соединений.

 В биосферных процессах круговорота участвует только азот, входящий в определенные химические соединения. Фиксация азота в химические соединения происходит при вулканической дятельности, при грозовых разрядах в атмосфере в процессе ионизации, при сгорании метеоритов, а также в почвах под воздействием микроорганизмов.

Соединения азота: нитриты, нитраты (соответственно соли азотистой и азотной кислот) в растворах поступают в растения, участвуют в образовании их органического вещества и через них попадают в процессе питания в организмы животных. После отмирания растений и животных соединения азота снова поступают в почву и цикл повторяется. Таков в самых общих чертах круговорот азота, однако ввиду важности этого элемента в построении органической массы живой материи, рассмотрит цикл его обращения более подробно.