Круговорот веществ в природе

Состав, структура и энергия биосферы определяются и контролируются планетарной совокупностью живых организмов — биотой (Акимова, Хаскин, 2000). Взаимодействие между биотой и абиотическими компонентами биосферы осуществляется в результате двух основных круговоротов веществ в природе: большого (геологического) и малого (биогеохимического).

Большой круговорот веществ в природе (геологический) обусловлен взаимодействием солнечной энергии с глубинной энергией Земли и перераспределяет вещества между биосферой и более глубокими горизонтами Земли за счет глубинных (эндогенных) и внешних (экзогенных) процессов, происходящих, соответственно в глубинах Земли и на ее поверхности.

Большой круговорот — это и круговорот воды между сушей и океаном через атмосферу. Влага, испарившаяся с поверхности океана (на это тратится 50% солнечной энергии), частью переносится на сушу, где выпадает в виде осадков, которые вновь возвращаются в океан в виде поверхностного и подземного стока, а часть осадков выпадает на эту же водную поверхность океана. В круговороте на Земле ежегодно участвует более 500 тыс. км3 воды. Круговорот воды в целом играет основную роль в формировании природных условий на нашей планете. С учетом транепирации воды, растениями и поглощения ее в биогеохимическом цикле весь запас воды на Земле распадается и восстанавливается за два миллиона лет.

Малый круговорот веществ в биосфере (биогеохимический) совершается лишь в пределах биосферы. Сущность его — в образовании живого вещества из неорганического 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 Земле, обеспечивая биогеохимический круговорот веществ.

Жизнедеятельность живых организмов обеспечивает миграцию (перемещение) атомов (вещества) в биосфере. В основе биогенной миграции атомов лежат два биохимических принципа:

· Стремиться к максимальному распространению (проявлению) – стремление к «всюдности» жизни;

· Обеспечить выживание организмов.

Биогенный ток атомов на суше не возможен без почвы – важнейшего элемента биосферы, оказывающего наряду с Мировым океаном решающее влияние на всю глобальную экосистему в целом. В различных регионах почвы обладают разными свойствами, их формирование зависит от интенсивности гумификации (скорости нарастания гумуса, мм/год).

Химические элементы образуют замкнутую систему (цикл), в которой атомы используются многократно. Круговороты 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. В.И. Вернадский выделяет пять таких функций:

• первая функция — газовая — основные газы атмосферы Земли, азот и кислород, биогенного происхождения, как и все подземные газы — продукт разложения отмершей органики;

• вторая функция — концентрационная — организмы накапливают в своих телах многие химические элементы, среди которых на первом месте стоит углерод, среди металлов первый кальций, концентраторами кремния являются диатомовые водоросли, йода — водоросли — ламинария, фосфора — скелеты позвоночных животных;

• третья функция окислительно-восстановительная — организмы, обитающие в водоемах, регулируют кислородный режим и создают условия для растворения или же осаждения ряда металлов (V, Mn, Fe) и неметаллов (S) с переменной валентностью;

• четвертая функция — биохимическая — размножение, рост и перемещение в пространстве («расползание») живого вещества;

• пятая функция — биогеохимическая деятельность человека — охватывает все разрастающееся количество вещества земной коры, в том числе таких концентраторов углерода, как уголь, нефть, газ и др.

В биогеохимических круговоротах следует различать две части: 1) резервный фонд — это огромная масса движущихся веществ, не связанных с организмами, 2) обменный фонд — значительно меньший, но весьма активный, обусловленный прямым обменом биогенным веществом между организмами и их непосредственным окружением. В биосфере в целом можно выделить: 1) круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере и гидросфере (океан) и 2) осадочный цикл с резервным фондом в земной коре (в геологическом круговороте).

Все эти циклические процессы расходуют солнечную энергию и лишь единственный на Земле процесс не тратит, а, наоборот, связывает солнечную энергию и даже накапливает ее, — это создание органического вещества в результате фотосинтеза. В связывании и запасании солнечной энергии заключается основная планетарная функция живого вещества на Земле.