Круговороты веществ в природе

Академик Вильямс Василий Робертович (1863-1939), российский почвовед, академик, писал, что единственный способ придать чему-то конечному свойства бесконечного – это заставить конечное вращаться по замкнутой кривой, т.е. вовлечь его в круговорот.

Все вещества на планете Земля находятся в процессе биохимического круговорота. Выделяют два основных круговорота: большой (геологический) и малый (биотический).

Большой круговорот длится миллионы лет. Горные породы разрушаются. Выветриваются и потоками вод сносятся в Мировой океан, где образуют мощные морские напластования. Часть химических соединений растворяется в воде или потребляется биоценозом. Крупные медленные геотектонические изменения, процессы, связанные с опусканием материков и поднятием морского дна, перемещение морей и океанов в течение длительного времени приводят к тому, что эти напластования возвращаются на сушу и процесс начинается вновь.

Малый круговорот, являясь частью большого, происходит на уровне биогеоценозов и заключается в том, что питательные вещества почвы, воды, воздуха аккумулируются в растениях, расходуются на создание их массы и жизненные процессы в них. Продукты распада органического вещества под воздействием бактерий вновь разлагаются до минеральных компонентов, доступных растениям, и вовлекаются ими в поток вещества.

Возврат химических веществ из неорганической среды через растительные и животные организмы обратно в неорганическую среду с использованием солнечной энергии и химических реакций называется биохимическим циклом.

В круговороте веществ участвуют три группы организмов:

Продуценты (производители) – автотрофные организмы и зеленые растения, которые, используя солнечную энергию, создают первичную продукцию живого вещества. Они потребляют углекислый газ, воду, соли и выделяют кислород. К этой группе принадлежат некоторые бактерии хемосептики, способные создавать органическое вещество.

Консументы (потребители) – гетеротрофные организмы, питающиеся за счет автотрофных и друг друга. Они подразделяются на: консументы 1-го порядка – животные, питающиеся растениями, потребляющие кислород и выделяющие углекислый газ; консументы 2-го порядка – хищники и паразиты растительных организмов; Консументы 3-го и 4-го порядка – сверхпаразиты. Всего в цепи питания существует не более 5 звеньев.

Редуценты (восстановители) – организмы, питающиеся организмами, бактериями и грибками. Здесь особенно велика роль микроорганизмов, до конца разрушающих органические остатки, превращающие их в конечные продукты: минеральные соли, углекислый газ, воду, простейшие органические вещества, поступающие в почву и вновь потребляемые растениями.

Скорость образования биологического вещества (биомассы) т.е. образование массы вещества в единицу времени, называют продуктивностью биосистемы.

В результате фотосинтеза на суше ежегодно создается 1,5.1010 – 5,5.1010 т растительной биомассы, в которой заключено около 3.1018 кДж солнечной энергии. Биомасса океанов существенно меньше, чем на суше, т.е. 3.1010 т. В океане масса животных в 30 раз больше массы растений, а на суше масса растений составляет 98 – 99 % от всей биомассы. Биологические продуктивности суши и океана примерно равны, т.к. биомасса океана состоит в основном из одноклеточных водорослей, которая обновляется ежедневно. Обновление биомассы суши происходит в течение 15 лет.

Круговорот энергии связан с круговоротом веществ. Наиболее характерны для процессов, происходящих в биосфере, круговороты основных биогенных веществ: углерода, азота, кислорода, фосфора, воды.

Средняя продолжительность общего цикла обмена углерода, азота и воды, вовлеченных в биологический круговорот – 300-400 лет. В соответствии с этой скоростью освобождаются минеральные соединения, связанные в биомассе. Освобождаются и минерализуются вещества гумуса почвы.

Различные вещества имеют разную скорость обмена в биосфере. К подвижным относят: хлор, серу, бор, бром, фтор. К пассивным – кремний, калий, фосфор, медь, никель, алюминий и железо. От того, насколько регулярно и полно осуществляется круговорот химических элементов, зависит продуктивность биогеоценоза.

Круговорот веществ в природе подразумевает общую согласованность места, времени и скорости процессов по уровням от популяции до биосферы. Такую согласованность явлений природы называют экологическим равновесием, но это равновесие подвижное и динамическое.

В процессе своей деятельности человек постоянно воздействует на экосистему в целом или на ее отдельные звенья. Например, при отстреле животных, вырубке деревьев, загрязнении природной среды. Не всегда и не сразу это ведет к распаду всей системы, нарушению ее стабильности. Но сохранение системы не значит, что она осталась неизменной. Система трансформируется и оценить эти изменения крайне сложно.

В настоящее время на Земле практически не осталось экосистем, не подверженных влиянию человека. Воздействия человека на экосистемы так интенсивны, что организмы не успевают приспособиться к ним. На уровне отдельной особи происходят необратимые изменения: часть насекомых гибнет из-за ядовитости гербицидов, другие оказываются устойчивыми (толерантными) к ним. У некоторых отмечаются изменения в хромосомах (мутации), влияющие на наследственность.

Развитие биосферы связано с появлением человека на Земле, но длительное время воздействия человека на биосферу определялись только наличием его как биологического вида, но благодаря эволюционному развитию биологических систем животный предок человека подошел к той грани, за которой открылась возможность его социальной эволюции. Сегодня человек является частью особой социальной среды – общества. Человек обладает уникальной способностью самопознания, познания и преобразования окружающего мира.

Человек, как живое существо и человеческий род, как совокупность индивидов, подчиняется законам экосистемы и экосферы. Специфика экосистемы «человек – окружающая среда» определяется не только физическими и биологическими факторами, но и социально – экономическими условиями, которые по мере развития общества приобретают все большее значение в отношениях человека и природы. В процессе целесообразной трудовой коллективной деятельности человек воздействует на природу, меняет способы организации своей жизни, создает особые формы общественных отношений.

Биологический обмен веществ между человеком и природой сохранился. Природа остается постоянным условием жизни человека и развития общества. Однако, в результате производственной деятельности возник новый процесс обмена веществ и энергии между природой и обществом. Этот обмен уже носит техногенный характер и называется антропогенным или социальным обменом веществ и энергии.

Антропогенный обмен существенно изменяет общепланетарный круговорот веществ, резко ускоряя его. Он отличается от биотического круговорота своей незамкнутостью, носит открытый характер. На входе антропогенного обмена находятся природные ресурсы, а на выходе – производственные и бытовые отходы. Экологическое несовершенство антропогенного обмена заключается в том, что коэффициент полезного использования природных ресурсов, как правило, чрезвычайно низок, а отходы производства ухудшают природную среду, многие из них не разлагаются до природного состояния. В период научно – технического прогресса и на стадии его интенсификации масштабы и скорость антропогенного обмена резко возрастают, вызывая заметные напряжения в биосфере.

До появления человека равновесие биосферы определяли пять энергетических факторов: солнечная радиация, сила гравитации, тектонические силы, химическая энергия (окислительно-восстановительные процессы), биогенная энергия (фотосинтез у растений, хемосинтез у бактерий, усвоение и окисление пищи у животных, размножение и продуктивность у биомассы). Эти факторы развивались по геологической шкале времени и за 3,5 млрд. лет сформировали природную среду.

В настоящее время появился новый фактор – энергия мирового производства. Этот фактор развивается не по геологической, а по исторической шкале времени. От организации производства зависит сохранение или необратимое нарушение подвижного равновесия в биосфере.

На современном этапе исторического развития сложились две формы взаимодействия общества и природы: экономическая и экологическая. Экономическая форма – потребление ресурсов природы, т.е. использование их для удовлетворения человеком своих материальных и духовных потребностей. Экологическая форма – охрана окружающей природной среды с целью сохранения человека как биологического и социального организма и его естественной среды обитания.

Человек, потребляя природные ресурсы для решения своих хозяйственных задач, еще и изменяет природную среду, которая как бумеранг, начинает воздействовать негативно на самого человека. За всю историю цивилизации было вырублено 2/3 лесов, уничтожено более 200 видов животных и растений, запасы кислорода в атмосфере снизилось на 10 миллиардов тонн, в результате неправильного ведения сельского хозяйства потеряно около 200 млн. га сельхозугодий. В последнее время хозяйственное давление человека на природу существенно усилилось: ежегодно в результате только нерациональной его деятельности обращаются в пустыни 44 га земель, уничтожается 690 тыс.га лесов, исчезает по одному виду животных и растений.

Негативная деятельность человека проявляется в следующих трех направлениях: загрязнение окружающей среды, истощение природных ресурсов, разрушение природной среды.

Под загрязнением среды обитания понимают физико-химические изменения состава природного вещества (воздуха, воды, почвы), которые неблагоприятно влияют на окружающую среду обитания.

Загрязнение окружающей природной среды бывает космическое, т.е. естественное, которое Земля получает из Космоса или при извержении вулканов, и антропогенное, связанное с хозяйственной деятельностью человека.

Антропогенное загрязнение окружающей среды подразделяется на пылевое, газовое, химическое (в т.ч. загрязнение почвы химикатами), ароматическое, тепловое (изменение температуры воды, воздуха, почвы), радиоактивное. Источником загрязнений является хозяйственная деятельность человека: промышленность, сельское хозяйство, транспорт. Доля того или иного источника загрязнения может значительно колебаться в зависимости от региона.

Таким образом, человек стал в настоящий период главной силой, изменяющей процессы в биосфере. Управлять этими процессами человек только учится. Научно-технический прогресс значительно опередил наши знания законов биосферы, что привело к заметному нарушению равновесия, превышению возможностей природных систем по самоочищению. Необходимо, изучать законы природы, чтобы предотвратить ее разрушение, найти пути разумного использования природных ресурсов и сбалансированного природопользования.

Гармоничное сосуществование человека и природы – новый этап в развитии биосферы, который академик В.И. Вернадский назвал ноосферой (греч. noos - разум).