§ 53. Круговорот веществ в биосфере

Преамбула

Основой жизни на Земле являются круговороты веществ в биосфере и постоянный приток солнечной энергии. Круговорот веществ — цикличный, многократно повторяющийся процесс перемещения и перехода химических элементов из живых тел в соединения неживой природы и обратно. С использованием солнечной энергии на планете протекает два взаимосвязанных круговорота веществ: большой — геологический и малый — биологический.

Геологический (большой) круговорот веществ — процесс миграции веществ и природных вод, происходящий в результате воздействия абиотических факторов (факторов неживой природы). При большом геологическом круговороте, протекающем миллионы лет, горные породы разрушаются, выветриваются, вещества растворяются и попадают в Мировой океан. Именно большой круговорот поставляет живым организмам элементы питания и во многом определяет условия их существования.

Биологический (малый) круговорот веществ — процесс циркуляции веществ между растениями, животными, грибами, микроорганизмами, атмосферой и почвой. Все химические элементы, используемые в процессах жизнедеятельности организмов, постоянно перемещаются, переходя из живых тел в соединения неживой природы и обратно. Так, в природе из неорганических веществ автотрофами синтезируются органические вещества. Выделенные в процессе жизнедеятельности или после гибели организмов (как автотрофов, так и гетеротрофов) органические вещества подвергаются минерализации, то есть превращению в неорганические вещества. Эти неорганические вещества могут быть вновь использованы автотрофами для синтеза органических веществ. Возможность многократного использования веществ делает жизнь на Земле практически вечной при условии постоянного притока нужного количества энергии Солнца.

Геологический и биологический круговороты в совокупности формируют общий биогеохимический круговорот веществ, основу которого составляют циклы воды, углерода, кислорода и азота. 

Круговорот воды

Большая часть биосферной воды представлена водами Мирового океана и водой вечных льдов. Более 99 % всех запасов воды в биосфере находится в твердом состоянии. Незначительная часть воды находится в газообразном состоянии — это атмосферные водяные пары. На испарение воды с поверхности океанов и суши затрачивается около половины всей поступающей на Землю солнечной энергии. После испарения вода потоками воздуха переносится на различные расстояния. Бóльшая ее часть в виде осадков выпадает в океан, откуда интенсивно испаряется, меньшая — на сушу. Излишки стекаются в реки, озера, а из них — в Мировой океан. Выпавшая на поверхность суши вода способствует разрушению горных пород, размывает верхний слой почвы и возвращается вместе с растворенными и взвешенными в ней веществами в реки, моря и океаны. Таким образом, вода переносит огромное количество неорганических и органических соединений.

В круговороте воды важную роль играют живые организмы. Растения извлекают воду из почвы и испаряют ее в атмосферу. Масса испаряемой при этом воды может быть весьма значительна. Так, с 1 га леса испаряется 20—50 т воды в сутки.

Животные организмы также активно участвуют в круговороте воды. Они потребляют воду для поддержания процессов жизнедеятельности и выделяют ее с продуктами обмена веществ.

Круговорот воды в целом играет основную роль в формировании природных условий на нашей планете.

Круговорот кислорода

В функционировании биосферы кислород играет исключительно важную роль. Практически весь атмосферный кислород имеет биогенное происхождение и проходит через живое вещество за 2000 лет.

Основная часть кислорода участвует в процессах дыхания аэробных живых организмов и в обмене веществ, небольшое его количество — в процессах образования озонового экрана.

Уменьшение количества кислорода происходит в атмосфере в результате процессов дыхания, окисления горных пород, горения при лесных пожарах, сжигания человеком топлива. Данное уменьшение кислорода компенсируется в процессе фотосинтеза. Таким образом, в природе непрерывно совершается круговорот кислорода.

Круговорот углерода

Углерод в атмосфере содержится в основном в составе углекислого газа. Первичный источник углекислого газа — вулканическая деятельность. Биосферный цикл углерода начинается с процесса фотосинтеза. Ежегодно в него вовлекается до 50 млрд т углерода. Растения поглощают его в составе углекислого газа. Продуцируемые ими органические вещества содержат значительное количество углерода (более 50 % углерода биосферы заключено в целлюлозе, составляющей основу клеточных стенок растений). Эти вещества используют сами растения и животные (консументы) для получения энергии. Кроме того, соединения углерода используются морскими организмами для построения раковин и скелетных образований. Одновременно с этим происходит обратный процесс. Углерод возвращается в среду, замыкая цикл, двумя путями. Первый путь — в виде углекислого газа, который образуется в процессе дыхания живых организмов. Второй путь — разложение (минерализация) детрита редуцентами. Один цикл круговорота углекислого газа проходит за 300 лет.

Однако цикл круговорота углерода замкнут не полностью. Часть углерода, как мы уже отмечали, на продолжительное время выводится из круговорота, концентрируясь в залежах торфа, каменного угля, нефти и горючих сланцев, образующихся при разложении детрита без доступа кислорода, а также в мощных отложениях известняков на дне морей и океанов, образованных из остатков раковин и скелетов отмерших морских организмов.

При сжигании ископаемого топлива, используемого человеком для получения энергии, образуется углекислый газ, который возвращается в атмосферу. За счет этого за последние сто лет его содержание в атмосфере возросло на 25 %, что нарушает отрегулированный веками круговорот углерода.

*Круговорот азота

Запасы азота в атмосфере практически неисчерпаемы (около 78 % по объему). Однако большинство живых организмов не  могут использовать его непосредственно. Поэтому важным звеном в круговороте азота является его фиксация и перевод в доступную для организмов форму. Различают три пути фиксации азота.

Биологическая (почвенная) фиксация осуществляется микроорганизмами. Азотфиксирующие бактерии могут превращать биологически недоступный молекулярный азот атмосферы в соединения, доступные для зеленых растений.

Азот в составе растений попадает в организм травоядных животных, а затем — хищных. После отмирания живых организмов (растений, животных) детрит разлагается редуцентами с выделением аммиака NH₃. Нитрифицирующие бактерии окисляют аммиак до нитритов и нитратов, которые усваиваются растениями, а денитрифицирующие бактерии при разложении детрита возвращают молекулярный азот обратно в атмосферу.

Часть фиксированного азота почвы выносится в реки, а из них в моря и океаны, вызывая их загрязнение.

Атмосферная фиксация. В атмосфере связанный азот образуется при разрядах молний, вызывающих взаимодействие азота с кислородом с образованием оксида азота, а затем диоксида азота. Диоксид азота растворяется в водяных парах, образуя азотную кислоту (HNO₃), которая вместе с осадками попадает в почву. На долю атмосферной фиксации азота приходится около 3 % ежегодной азотфиксации в биосфере.

Промышленная фиксация. Цивилизация существенно усилила поступление связанного азота  в биосферу. При высокотемпературных процессах сгорания топлива на электростанциях и в транспортных двигателях азот воздуха окисляется и в виде оксидов попадает в атмосферу. Большое количество азота ежегодно связывается промышленным путем при производстве минеральных азотных удобрений. Азот из таких удобрений усваивается растениями в аммонийной и нитратной формах.

В результате антропогенные потоки связанного азота стали примерно равны природным. Уже сейчас это приводит к серьезным локальным и региональным последствиям.

Проверим знания