Круговорот веществ и превращение энергии в биосфере

Главная функция биосферы заключается в обеспечении кру­говоротов химических элементов. Глобальный биотический кру­говорот осуществляется при участии всех населяющих планету организмов. Он заключается в циркуляции веществ между поч­вой, атмосферой, гидросферой и живыми организмами.

Благодаря биотическому круговороту возможно длительное существование и развитие жизни при ограниченном запасе дос­тупных химических элементов. Используя неорганические веще­ства, зеленые растения за счет энергии Солнца создают органиче­ское вещество, которое другими живыми существами (гетеротрофами-потребителями и деструкторами) разрушается, с тем чтобы продукты этого разрушения могли быть использованы растения­ми для новых органических синтезов.

Рис. 10. Круговорот воды в биосфере.

Важная роль в глобальном круговороте веществ принадлежит циркуляции воды между» океаном, атмосферой и верхними слоя­ми литосферы (рис. 10). Вода испаряется и воздушными тече­ниями переносится на многие километры. Выпадая на поверхность суши в виде осадков, она способствует разрушению горных пород, делая их доступными для растений и микроорганизмов, размывает верхний почвенный слой и уходит вместе с растворимыми в ней химическими соединениями и взвешенными органическими частицами в океаны и моря. Подсчитано, что с поверхности Земли за 1 мин испаряется около 1 млрд. т воды (на образование 1 г водяного пара затрачива­ется 2,248 кДж). Энергия, затрачиваемая на испарение воды, воз­вращается в атмосферу. Циркуляция воды между мировым океа­ном и сушей представляет собой важнейшее звено в поддержании жизни на Земле и основное условие взаимодействия растений и животных с неживой природой. Благодаря этому процессу проис­ходит постепенное разрушение литосферы, перенос ее компонен­тов в глубины морей и океанов.

На создание органического вещества расходуется всего 0,1—0,2% солнечной энергии, достигающей поверхности планеты. Энергия биотического круговорота мала по сравнению с энергией, расходуемой в абиотических геохимических процессах. Благодаряей осуществляется значительный объем работы по перемещению химических элементов. Около 40 химических элементов вовлекается живыми организмами в активный круговорот. Наибольшее значение имеет круговорот углерода, азота, кислорода, водорода, железа, фос­фора, серы, калия, кальция, магния и кремния.

Круговорот углерода начинается с фиксации атмосферной двуокиси углерода в процессе фотосинтеза (рис. 11). Часть обра­зовавшихся при фотосинтезе углеводов используется самими рас­тениями для получения энергии, а часть потребляется животны­ми. Углекислый газ выделяется в процессе дыхания растений и животных. Мертвые растения и животные разлагаются, угле­род их тканей окисляется и возвращается в атмосферу. Аналогич­ный процесс происходит и в океане.

Рис. 11. Круговорот углерода в биосфере.

Круговорот азота также охватывает все области биосферы (рис. 12). Хотя его запасы в атмосфере практически неисчерпае­мы, высшие растения могут использовать азот только после со­единения его с водородом или кислородом. Исключительно важ­ную роль в этом процессе играют азотфиксирующие бактерии. При распаде белков этих микроорганизмов азот снова возвраща­ется в атмосферу.

Рис. 12. Круговорот азота в биосфере

Круговорот серы. Сера входит в состав белков и также представ­ляет собой жизненно важный элемент. В виде соединений с металла­ми — сульфидов — она залегает в виде руд на суше и входит в состав глубоководных отложений. В доступную для усвоения растворимую форму эти соединения переводятся хемосинтезирующими бактерия­ми, способными получать энергию путем окисления восстановлен­ных соединений серы. В результате образуются сульфаты, которые используются растениями. Глубоко залегающие сульфаты вовле­каются в круговорот другой группой микроорганизмов, восстанавли­вающих сульфаты до сероводорода.