Учение В.И. Вернадского о биосфере

Одним из выдающихся естествоиспытателей, посвятивших себя изучению процессов, протекающих в биосфере, был ака­демик Владимир Иванович Вернадский. Он стал основопо­ложником научного направления, названного им биогеохими­ей, которое легло в основу современного учения о биосфере.

В 1926 г. В.И. Вернадский опубликовал в Ленинграде кни­гу под названием «Биосфера», которая ознаменовала рожде­ние новой науки о природе, о взаимосвязи с ней человека. В этой работе биосфера впервые показана как единая динами­ческая система, населенная и управляемая жизнью, живым ве­ществом планеты. «Биосфера - организованная, определенная оболочка земной коры, сопряженная с жизнью». В работах по биосфере ученый показал, что взаимодействие живого вещес­тва с веществом косным есть часть большого механизма зем­ной коры, благодаря которому происходят разнообразные гео­химические и биогенные процессы, миграции атомов, осущест­вляется их участие в геологических и биологических циклах.

Основа концепции биосферы - представление о живом ве­ществе. Более 90 % всего живого вещества приходится на на­земную растительность (98 % биомассы суши). Живое вещест­во - наиболее мощный геохимический и энергетический фак­тор, ведущая сила планетарного развития. Основной источник биохимической активности организмов - это солнечная энер­гия, используемая в процессе фотосинтеза зелеными растени­ями и некоторыми микроорганизмами для создания органи­ческого вещества, которое, в свою очередь, обеспечивает пи­щей и энергией остальные организмы. Фотосинтез привел к накоплению в атмосфере свободного кислорода, образованию озонового слоя, защищающего от ультрафиолетового и жест­кого космического излучения. Он поддерживает современный газовый состав атмосферы. Жизнь на Земле всегда существо­вала в форме сложно организованных комплексов разнообраз­ных организмов (биоценозов). Вместе с тем живые организмы и среда их обитания образуют целостные системы - биогеоце­нозы. Питание, дыхание и размножение организмов и связан­ные с ними процессы создания, накопления и распада органи­ческого вещества обеспечивают постоянный круговорот веще­ства и энергии. С этим круговоротом связана миграция атомов химических элементов через живое вещество. Так, весь атмо­сферный кислород оборачивается через живое вещество за 2000 лет, углекислый газ за 300 лет. Состав самих организмов характеризуется большим разнообразием органических и вообще химических соединений. Благодаря живому веществу на планете образовались почвы и органическое минеральное топливо (торф, уголь, возможно, нефть).

В.И. Вернадский впервые показал, что химическое состоя­ние наружной коры нашей планеты всецело находится под влиянием жизни и определяется живыми организмами, с дея­тельностью которых связан великий планетарный процесс - миграция химических элементов в биосфере. Эволюция ви­дов, отмечал ученый, приводящая к созданию форм жизни, устойчива в биосфере и должна идти в направлении увеличе­ния биогенной миграции атомов.

Биосфера представляет собой сложнейшую планетарную оболочку жизни, населенную организмами, составляющими в совокупности живое вещество. Это самая крупная (глобаль­ная) экосистема Земли - область системного взаимодействия живого и косного вещества на планете. Совокупная деятель­ность живых организмов в биосфере проявляется как геохи­мический фактор планетарного масштаба.

Биосфера охватывает нижнюю часть атмосферы до высоты озонового экрана (20-25 км), верхнюю часть литосферы (ко­ра выветривания) и всю гидросферу до глубинных слоев оке­ана. В.И. Вернадский отмечал, что «пределы биосферы обус­ловлены прежде всего полем существования жизни». На раз­витие жизни, а следовательно, и на границы биосферы оказы­вают влияние многие факторы и прежде всего наличие кисло­рода, углекислого газа, воды в ее жидкой фазе. Ограничивают область распространения жизни и слишком высокие или низ­кие температуры. Элементы минерального питания также влияют на развитие жизни. К ограничивающему фактору можно отнести и сверхсоленую среду (превышение концен­трации солей в морской воде примерно в 10 раз). Лишены жизни подземные воды с концентрацией солей свыше 270 г/л.

В планетарной биосфере выделяют континентальную и океаническую биосферы, которые отличаются геологически­ми, географическими, экологическими, биологическими, фи­зическими и другими условиями. Нижний предел распростра­нения живого ограничивается дном океана (глубина около 11 км) или изотермой в 100 °С в литосфере (по данным сверх­глубокого бурения на Кольском полуострове, эта цифра сос­тавляет около 6 км). Фактически, жизнь в литосфере просле­живается до глубины 3-4 км. Таким образом, вертикальная мощность океанической биосферы составляет 11 км. Вверх, в атмосферу, биосфера простирается не выше наибольших плотностей озонового экрана, что составляет 22-24 км. Сле­довательно, предел протяженности биосферы выражается цифрой 39-40 км.

Вещественный состав биосферы также разнообразен. В.И.Вернадский включает в него семь глубоко разнородных, но геологически не случайных частей:

– живое вещество;

– биогенное вещество – рождаемое и перерабатываемое живыми организмами (горючие ископаемые, известняки ит.д.);

– косное вещество, образуемое без участия живых организ­мов (твердое, жидкое и газообразное);

– биокосное вещество –косное вещество, преобразованное живыми организмами (вода, почва, кора выветривания, илы);

– вещество в радиоактивном распаде (элементы и изотопы уранового, ториевого и актиноуранового ряда);

– вещество рассеянных атомов земного происхождения и космических излучений;

– вещество космического происхождения в форме метео­ритов, космической пыли и др.

Из сказанного вытекает, что биосфера является результа­том сложнейшего механизма геологического и биологическо­го развития и взаимодействия косного и биогенного вещества. С одной стороны, это среда жизни, а с другой - результат жиз­недеятельности. Главная специфика современной биосферы - это четко направленные потоки энергии и биогенный (связан­ный с деятельностью живых существ) круговорот веществ.

Разрабатывая учение о биосфере, В.И. Вернадский пришел к выводу, что главным трансформатором космической энер­гии является зеленое вещество растений. Только растения способны поглощать энергию солнечного излучения и синте­зировать первичные органические соединения. Для объясне­ния большой суммарной энергии биосферы ученый произвел расчеты, которые действительно показали огромное значение фотосинтезирующих растений в создании общей органичес­кой массы. Он подсчитал, что поверхность Земли составляет меньше одной десятитысячной поверхности Солнца. Общая же площадь трансформационного аппарата зеленых растений в зависимости от времени года составляет уже от 0,86 до 4,2 % площади поверхности Солнца. Разница колоссальная. Этот зеленый энергетический потенциал и лежит в основе сохране­ния и поддержания всего живого на нашей планете.

3. Живое вещество планеты. Функции живого вещества

Учение о живом веществе является одним из центральных звеньев концепции биосферы. Исследуя процессы миграции ато­мов в биосфере, В.И. Вернадский подошел к вопросу о генезисе (происхождении, возникновении) химических элементов в зем­ной коре, а после этого и к необходимости объяснить устойчи­вость соединений, из которых состоят организмы. Анализируя проблему миграции атомов, он пришел к выводу, что «нигде не существуют органические соединения, независимые от живого вещества». «Под именем живого вещества, - писал Вернадский в 1919 г., - я буду подразумевать всю совокупность всех организ­мов, растительности и животных, в том числе и человека. С геохи­мической точки зрения, эта совокупность организмов имеет зна­чение только той массой вещества, которая ее составляет, ее хи­мическим составом и связанной с ней энергией. Очевидно, толь­ко с этой точки зрения, имеет значение живое вещество и для поч­вы, так как, поскольку мы имеем дело с химией почв, мы имеем дело с частным проявлением общих геохимических процессов».

Тогда же ученый впервые высказал мысль о совместном нахождении химических элементов в живом веществе, кото­рое определяется биологическими свойствами организмов, а не химическими свойствами элементов. К основным таким элементам Вернадский относил С, О, Н, N, S, Р, С1, К, Mg, Са, Na, Fe, к которым обычно присоединяют еще Si, Mn, F, J, Со, В, Ва, Sr, Pb, Zn, Ag, Вг, V и т. д. В живом организме всегда со­держится не менее 20 - 25 химических элементов, эти элемен­ты оказываются вместе после гибели живого в исключительно малых объемах, высоких концентрациях и в соотношениях, которые определяет жизнь.

Итак, живое вещество биосферы - это совокупность всех ее живых организмов. Главное предназначение живого вещества и его неотъемлемый атрибут - накопление свобод­ной энергии в биосфере. Обычная биогеохимическая энер­гия живого вещества производится прежде всего путем раз­множения.

Научные идеи В.И. Вернадского о живом веществе, о космичности жизни, о биосфере и переходе ее в новое качество - ноосферу - своими корнями уходят в XIX - начало XX в., ког­да философы и естествоиспытатели предприняли первые по­пытки осмыслить роль и задачи человека в общей эволюции Земли. Именно их усилиями человек начал свое продвижение к вершинам естественной эволюции живого, постепенно зани­мая экологическую нишу, отведенную ему природой.

В 30-е гг. XX в. В.И. Вернадский из общей массы живого вещества выделяет человечество как его особую часть. Такое обособление человека от всего живого стало возможным по трем причинам.

Во-первых, человечество является не производителем, а потребителем биогеохимической энергии. Такой тезис требо­вал пересмотра геохимических функций живого вещества в биосфере.

Во-вторых, масса человечества, исходя из данных демогра­фии, не является постоянным количеством живого вещества.

В-третьих, его геохимические функции характеризуются не массой, а производственной деятельностью. Характер усво­ения человечеством биогеохимической энергии определяется разумом человека. С одной стороны, человек - это кульмина­ция бессознательной эволюции, «продукт» спонтанной дея­тельности природы, а с другой - зачинатель нового, разумно направленного этапа самой эволюции.

Какие же характерные особенности присущи живому ве­ществу? Прежде всего, это огромная свободная энергия. В процессе эволюции видов биогенная миграция атомов, т.е. энергия живого вещества биосферы, увеличилась во много раз и продолжает расти, ибо живое вещество перерабатывает энергию солнечных излучений, атомную энергию радиоактив­ного распада и космическую энергию рассеянных элементов, приходящих из нашей Галактики. Живому веществу присуща также высокая скорость протекания химических реакций по сравнению с веществом неживым, где похожие процессы идут в тысячи и миллионы раз медленнее. Например, некото­рые гусеницы в сутки могут переработать пищи в 200 раз больше, чем весят сами, а одна синица за день съедает столько гусениц, сколько весит сама.

Для живого вещества характерно то, что слагающие его хи­мические соединения, главнейшими из которых являются белки, устойчивы только в живых организмах.После завер­шения процесса жизнедеятельности исходные живые органи­ческие вещества разлагаются до химических составных частей.

Живое вещество существует на планете в форме не­прерывного чередования поколений,благодаря чему вновь образовавшееся генетически связано с живым веществом прошлых эпох. Это - главная структурная единица биосферы, определяющая все другие процессы поверхности земной ко­ры. Для живого вещества характерно наличие эволюционного процесса.Генетическая информация любого организма за­шифрована в каждой его клетке. При этом клеткам изначаль­но предначертано быть самими собой, за исключением яйце­клетки, из которой развивается целый организм.

В.И.Вернадский отмечал, что живые организмы планеты - это наиболее постоянно действующая и могущественная по своим конечным последствиям химическая сила. Он указы­вал, что живое вещество неотделимо от биосферы, является ее функцией и одновременно «одной из самых могущественных геохимических сил нашей планеты». Круговорот отдельных веществ В.И.Вернадский назвал биогеохимическими цикла­ми. Эти циклы обеспечивают важнейшие функции живого ве­щества в целом. Ученый выделил пять таких функций.

Газовая функция.Осуществляется зелеными растениями, выделяющими кислород в процессе фотосинтеза, а также всеми растениями и животными, выделяющими углекислый газ в ре­зультате дыхания. Происходит также круговорот азота, связан­ного с деятельностью микроорганизмов. В.И.Вернадский пи­сал, что все газы, образующиеся в биосфере, теснейшим обра­зом связаны своим происхождением с живым веществом, всег­да биогенны и изменяются главным образом биогенным путем.

Основные газовые фунции, по В.И.Вернадскому, следующие.

■ Кислородно-углекислотная, носителем которой являют­ся хлорофилльные растения. Ими создается подавляющая масса кислорода на планете. Из-за того что ночью фотохими­ческий процесс прекращается, а на смену ему приходит про­цесс образования углекислоты, эта функция называется кис-лородно-углекислотной.

■ Углекислотная (отдельная от кислородной). В результа­те жизнедеятельности животных, грибов и бактерий создается биогенная углекислота.

■ Озонная и перекисьводородная. В.И.Вернадский считал, что озон и перекись водорода являются продуктами жизни (через кислород, идущий на образование озона и перекиси). Озон, образуясь из биогенного кислорода, защищает биосфе­ру от губительного ультрафиолетового излучения.

■ Азотная. В.И.Вернадский полагал, что свободный азот атмосферы создается живым веществом почвы.

■ Углеводородная. Биогенные газы - углеводороды - соз­даются живым веществом. Их роль в биосфере очень велика, но мало изучена.

■ Водная, проявляющаяся в биогенном круговороте воды. Биогенная роль водной функции проявляется в том, что сос­тояние растительного покрова самым тесным образом связано с влажностью воздуха, содержанием воды в почве и подпочве. Наиболее ярко она выражена в лесах суши, сведение которых ведет к изменению и перестройке всего биогеохимического круговорота воды в биосфере.

■ Сероводородная и сульфидная функции. Проявляются в действии окислительно-восстановительной системы. Они иг­рают большую роль во всех почвах, особенно в условиях ще­лочной и нейтральной реакции среды. В присутствии органи­ческого вещества и при недостатке кислорода в почве через цепь химических реакций образуется сероводород, который уходит в атмосферу. Система сульфаты<->сульфиды сдвигается в сторону сульфидов. При этом развивается процесс десуль­фирования или десульфации почвенного раствора, грунтовых или глубинных подземных вод. В результате наблюдается постепенное исчезновение из почвы сернокислых солей и под-щелачивание раствора. Такие процессы характерны для луго­вых солончаковых почв, торфяных болот, донных отложений застойных водоемов, полей орошаемого риса.

В период просыхания переувлажненных почв наблюдается снижение доступа кислорода и уровня грунтовых вод. В связи с этим происходит сдвиг окислительно-восстановительной сис­темы в другую сторону, в результате чего развиваются окисли­тельные процессы. В почвах и грунтах образуются соединения серы, окисляемые в дальнейшем до серной кислоты и сульфа­тов. Часть серы из системы утрачивается в виде сероводорода.

Таким образом, образование сероводорода является след­ствием биогенной деятельности животных и бактерий почвы. Превращение органической серы бактериями и животными в конечный продукт - сероводород и восстановление минераль­ной серы бактериями в процессе десульфирования в сероводо­род - две стадии сероводородной функции живых организмов.

Концентрационная функция.Проявляется в способности живых организмов накапливать в своих телах многие хими­ческие элементы (на первом месте стоит углерод, среди метал­лов - кальций). Способность концентрировать элементы из разбавленных растворов - характерная особенность живого вещества. Например, морские организмы активно накаплива­ют микроэлементы, тяжелые металлы (ртуть, свинец, мы­шьяк), радиоактивные элементы.

В.И.Вернадский различал:

1) концентрационные функции I рода, когда живым вещест­вом из окружающей среды концентрируются те химические элементы, которые содержатся во всех без исключениях орга­низмах (Н, С, N, О, Na, Mg, Al, Si, P, S, Cl, K, Ca, Fe);

2) концентрационные функции II рода, когда наблюдается накопление химических элементов, которые в живых организ­мах не встречаются или могут встречаться в очень малых ко­личествах. Например, голотурии способны накапливать вана­дий. Дождевые черви могут накапливать цинк, медь, свинец и кадмий в своих тканях. Водоросли рода ламинария накапли­вают в себе йод.

Окислительно-восстановительная функция.Выража­ется в химических превращениях веществ в процессе жизне­деятельности организмов. В результате этого образуются со­ли, оксиды, новые вещества. С данной функцией связано фор­мирование железных и марганцевых руд, известняков и т.п.

Биохимическая функция.Определяется как размноже­ние, рост и перемещение в пространстве живого вещества. Все это приводит к круговороту химических элементов в природе, их биогенной миграции.

В.И.Вернадский выделял I биохимическую функцию, ко­торая связана с питанием, дыханием и размножением орга­низмов, и II биохимическую функцию, которая связана с раз­рушением тел живых организмов после их смерти. При этом происходит ряд биохимических превращений: живое тело —>биокосное —>косное.

Функция биогеохимической деятельности человека. Связана с биогенной миграцией атомов, многократно усили­вающейся под влиянием хозяйственной деятельности челове­ка и его разума. Человек в ходе хозяйственной деятельности разрабатывает и использует для своих нужд большое количес­тво веществ земной коры, в том числе таких, как уголь, газ, нефть, торф, сланцы, многие руды. Одновременно происходит антропогенное поступление в биосферу чужеродных веществ в количествах, превышающих допустимое значение. Это при­вело к кризисному противостоянию человека и природы. Главной причиной надвигающегося экологического кризиса считается технократическая концепция, рассматривающая биосферу, с одной стороны, как источник физических ресур­сов, с другой - как сточную трубу для удаления отходов.

В настоящее время мировое хозяйство ежегодно выбрасы­вает в атмосферу:

■ более 250 млн т мелкодисперсных аэрозолей;

■ 200 млн т оксида углерода;

■ 150 млн т диоксида серы;

■ 120 млн т золы;

■ более 50 млн т углеводородов;

■ 2,5 млрд т (!) оксидов азота.

Естественный круговорот атомов в атмосфере просто не успевает за техногенными выбросами. Только за счет сжига­ния угля в энергетических установках в окружающую среду поступает мышьяка, урана, кадмия, бериллия в десятки раз, а ртути - в тысячи раз больше, чем вовлекается в природный биохимический круговорот.

Жизнь на нашей планете существует в неклеточной и кле­точной формах. Неклеточная форма живого вещества пред­ставлена вирусами, которые лишены раздражимости и соб­ственного синтеза белка. Простейшие вирусы состоят лишь из белковой оболочки и молекулы ДНК (дезоксирибонуклеино­вой кислоты) или РНК (рибонуклеиновой кислоты), состав­ляющей сердцевину вируса. Иногда вирусы выделяют в осо­бое царство живой природы - Vira. Они могут размножаться только внутри определенных живых клеток. Вирусы повсе­местно развиты в природе и являются опасным противником всего живого. Поселяясь в клетках живых организмов, они вызывают их смерть. Описано около 500 вирусов, поражаю­щих теплокровных позвоночных, и около 300 вирусов, напа­дающих на высшие растения. Более половины болезней чело­века обязаны своим развитием мельчайшим вирусам (они в 100 раз мельче бактерий). Достаточно назвать несколько страшных болезней, вызываемых вирусами, чтобы осознать угрозу этих существ: полиомиелит, оспа, грипп, инфекцион­ный гепатит, желтая лихорадка и др.

Клеточные формы жизни представлены прокариотами (ор­ганизмами, не имеющие ограниченного мембраной ядра) и эу­кариотами (организмами, клетки которых содержат офор­мленные ядра). К прокариотам относятся различные бактерии. Эукариоты - все высшие животные и растения, а также одно­клеточные и многоклеточные водоросли, грибы и простейшие.

4. Круговорот веществ и биогеохимические циклы важнейших химических элементов в биосфере

Круговорот воды, а также круговорот биогенных элемен­тов, обусловленный синтезом и распадом органических ве­ществ в биосфере называюткруговоротом веществ. Это мно­гократное участие веществ в процессах, протекающих в атмо­сфере, гидросфере и литосфере. Деятельность живых организ­мов сопровождается извлечением из окружающей их неживой природы больших количеств минеральных веществ. После смерти организмов составляющие их химические элементы возвращаются в окружающую среду. Так возникает кругово­рот веществ в природе, т.е. циркуляция веществ между атмо­сферой, гидросферой, литосферой и живыми организмами. Таким образом накапливаются полезные ископаемые - уголь, нефть, газ, известняки и т.п.

Глобальный биогеохимический круговорот в биосфере не является целиком замкнутым. В отдельных случаях степень повторяющегося воспроизводства некоторых циклов состав­ляет 90-98 %. Такая неполная замкнутость биогеохимических циклов в масштабах геологического времени приводит к диф­ференциации элементов и накоплению их в различных при­родных сферах Земли.

Непрерывному круговороту в биосфере Земли подверга­ются только вещества. Когда речь идет об энергии, можно го­ворить только о ее направленном потоке. Передаваясь по тро­фическим цепям, энергия постепенно рассеивается. Частично она накапливается в земной коре в алюмосиликатах в резуль­тате разложения органических остатков.

Обновление живого вещества биосферы происходит за 8 лет. Фитомасса суши (биомасса наземных растений) обнов­ляется за 14 лет. Масса живого вещества океана обновляется за 33 дня, а его фитомасса - за 1 день. Полная смена вод в гид­росфере осуществляется за 2800 лет, смена кислорода в атмо­сфере - за несколько тысяч лет (до 3000), а углекислого газа - за 6,3 года. Общепланетные климатические и геохимические циклы, охватывающие атмосферу, океан, толщу донных осад­ков и кору выветривания, протекают крайне медленно и ис­числяются сотнями тысяч и миллионами лет. (Здесь следует заметить, что вмешательства человека, происходящие в край­не короткие сроки, искусственно иитеисифицируют эти про­цессы, что чревато тяжелыми последствиями.)

Развитие и функционирование живого вещества изменили океан, атмосферу, поверхность земной коры, привели к обра­зованию почвенного покрова. Почва вместе с растениями и животными образует на суше сложную экологическую систе­му, которая связывает и перераспределяет солнечную энер­гию, углерод атмосферы, влагу, кислород, водород, фосфор, азот, серу, кальций и другие элементы-биофилы. Те же фун­кции выполняет и Мировой океан с водными растениями и планктоном. Жизнедеятельностью растительных организмов и их взаимодействием с животными, микроорганизмами и не­живой природой обеспечивается механизм фиксации, накоп­ления и перераспределения космической энергии, поступаю­щей на Землю. Эта энергия аккумулируется в органических соединениях, слагающих биомассу живого вещества.

За миллиарды лет эволюции Земли на планете сложились великий биогеохимический круговорот и дифференциация химических элементов в природе. На первых этапах своей ис­тории человек стал звеном этого круговорота веществ и пото­ка энергии вместе с животным населением. Однако в настоя­щее время хозяйственная деятельность человека привносит значительные изменения в биогеохимические циклы элемен­тов в биосфере. Например, в результате производства удобре­ний азот атмосферы возвращается в почвы в размерах, превы­шающих его биологическую фиксацию. Рассеянные в виде следов ртуть, свинец, кадмий добываются, концентрируются и включаются в больших количествах в биосферу.

Элементами круговорота веществ в природе являются:

■ регулярно повторяющиеся или непрерывно текущие процес­сы переноса энергии, образование и синтез новых соединений;

■ направленные процессы последовательного преобразования, разложения и деструкции синтезированных ранее соединений под влиянием биогенных или абиогенных воздействий среды;

■ постоянное или периодическое образование простейших минеральных и органоминеральных компонентов в газообраз­ном, жидком или твердом состоянии.

Важнейшую роль в биосфере играют круговороты воды, углерода, кислорода, азота, фосфора, серы.

Круговорот воды. Под влиянием энергии Солнца и жизне­деятельности биоценозов в биосфере поддерживается опреде­ленный баланс воды. Механизм, поддерживающий этот ба­ланс, хорошо известен - это круговорот воды. Мировой баланс воды - величина довольно стабильная. Для существо­вания жизни и развития человеческой цивилизации наиболее важной частью в этом балансе являются пресные воды, кото­рые составляют речной сток, содержатся в озерах и подземных горизонтах.

Интересно, что объем первоначальных запасов воды на Земле практически не изменился. Сколько бы раз вода ни употреблялась человеком для своих нужд, общее количество ее на Земле не уменьшается. Благодаря «водяному колесу приро­ды» - круговороту - водные молекулы постоянно циркулиру­ют между океаном, атмосферой и земной поверхностью. В ре­зультате этого гидросфера стала планетарной транспортной системой, а также планетарным аккумулятором органического, неорганического вещества и различных химических элементов.

В среднем в год с поверхности всех водоемов испаряется порядка 519 тыс. км³ воды в год. Более 90 % ее возвращается в океан с атмосферными осадками и лишь 10 % выпадает в виде осадков на поверхности материков. В некоторых конкретных случаях количество испаренной воды и скорость испарения столь велики, что не восполняются поверхностными стоками. Например, сток воды в Средиземное море не восполняет ко­личества испаренной с его поверхности воды, поэтому в Гиб­ралтаре течение направлено всегда из Атлантики.

Современный круговорот воды происходит с участием био­сферы и человека. Цикл его таков: вода, испаренная с поверх­ности водоемов, почвой, растениями, животными, конденси­руется, образуя облака, и выпадает в виде осадков. Часть ее попадает в водоемы непосредственно, часть питает подземные воды, часть потребляется животными и растениями и снова возвращается в Мировой океан уже как продукт жизнедея­тельности, часть воды используется машинами, механизмами и промышленностью и возвращается в биосферу в виде пара и отработанной технической воды (рис. 1).

Вода, будучи сильнейшим растворителем, играет огромную роль в геохимических процессах. Промывая толщи горных пород,она вовлекает в круговорот большую часть химических элементов Периодической системы элементов Д.И. Менделеева. На Земле нет дистиллированной воды. Любая вода содержит растворенные соли, газы, органические и коллоидные вещества. Совместно с циркуляцией воды в биосфере растворенные в ней элементы так­же участвуют в круговороте.

Рис. 1. Гидрологический цикл и накопление воды

Круговорот углерода. Углерод по распространению на Земле занимает. 16-е место среди всех элементов. В наиболее общем виде круговорот углерода можно представить как про­цесс освобождения и связывания диоксида углерода (С0₂), включая его растворение в воде океанов (рис. 2).

В.И. Вернадский в своем труде о биосфере писал: «Преоб­ладающее, особое значение атомов углерода свойственно не только живым организмам, это свойство биосферы, ее живой и косной материи, до известной степени всей земной коры». С углеродом связан процесс возникновения и развития жизни на Земле. В атмосфере его содержится 0,046 % в форме угле­кислого газа и 0,00012 % в форме метана; в земной коре - 0,35 % и в живом веществе - около 18 %. Он вовлекается в цепь не­прерывных реакций и биогеохимических круговоротов, сое­диняясь с большинством элементов самыми разнообразными способами. В то же время связь атомов углерода между собой и с другими атомами (кислорода, водорода, серы, фосфора и др.) может быть разрушена под воздействием природных фак­торов.

Предполагается, что углерод распределен в довольно тон­ком слое земной коры, в атмосфере в виде диоксида и оксида углерода и в животной и растительной биомассах. Основные запасы углерода в природе содержатся в минералах и горных породах главным образом в форме карбонатов (СаСО_э) и гид­рокарбонатов (Са(НС0₃))₂, представляющих собой раствори­мые и нерастворимые донные отложения в Мировом океане, накопившиеся за миллионы лет геологической истории Зем­ли. Этот процесс продолжается и в настоящее время.

Рисунок 2 – Круговорот углерода в биосфере

В несвязанном состоянии углерод встречается в виде алма­зов (наибольшие месторождения в Южной Африке и Брази­лии) и графита (наибольшие месторождения в Германии, Шри-Ланке и России). Каменный уголь содержит до 90 % уг­лерода. В связанном состоянии углерод входит также в разные горючие ископаемые, в карбонатные минералы, например в кальцит и доломит, а также в состав всех биологических ве­ществ.

Углекислый газ, содержащийся в воздухе и воде, составля­ет запас углерода, участвующего в создании биомассы. Содер­жание С0₂ в атмосфере нестабильно (менее 1 %), и подверже­но сезонным изменениям. В настоящее время наблюдается его увеличение, связанное с антропогенным воздействием. Если 100 лет назад содержание углекислого газа составляло при­мерно 270 частей на 1 млн, то сегодня эта цифра выросла до 350 частей на 1 млн.

Также постепенно растет (на 1-2 % ежегодно) содержание в атмосфере метана и оксида углерода, что тоже связано с сельским хозяйством и энергетикой. В тех районах, где в про­цессе выработки энергии потребляется большое количество ископаемого топлива, зарегистрирован небольшой, но неук­лонный рост концентрации оксидов азота и серы.

Если сравнить содержание диоксида углерода в водах (ре­ки, озера, моря), атмосфере и океане, то окажется, что Миро­вой океан содержит более 98 % общего запаса углерода атмо­сферы и гидросферы.

Следует подчеркнуть, что цикл биологического круговоро­та углерода не замкнут. Углерод может выходить из него на довольно длительный срок в виде карбонатов, торфов, сапропелей, гумуса и других органических осадков. В разных цик­лах биологического круговорота участвует около 98-99 % ас­симилированного углерода.

Если в круговороте кислорода зеленые растения являются его поставщиком в атмосферу, то в круговороте углерода они являются мощным механизмом, улавливающим его из атмо­сферы в виде углекислого газа и связывающим в органические соединения. В процессе фотосинтеза углерод ассимилируется растениями и переводится в углеводы. В процессе же дыхания происходит обратный процесс: углерод органических соеди­нений превращается в диоксид углерода.

Ежегодно наземные растения связывают около 18 млрд т уг­лерода, растения морей - 25 млрд т. Еще одним мощным ути­лизатором углерода являются морские организмы, которые используют его для образования своих скелетов. В дальней­шем остатки отмерших морских организмов опускаются на дно морей и океанов и образуют мощные отложения известня­ков. Между углекислым газом атмосферы и водой океана су­ществует подвижное равновесие. Организмы поглощают угле­кислый кальций, создают свои скелеты, а затем из них образу­ются пласты известняков.

Проследим «путешествие» атома углерода, одного из мириад себе подоб­ных, в биосфере. Произошло извержение вулкана. Наконец-то для нашего ато­ма закончилось время заточения глубоко в недрах Земли, и он вырывается на свободу в атмосферу. В виде молекулы углекислого газа, связанный с атомами кислорода, он беззаботно «плавает» в атмосфере в течение нескольких лет. И вот однажды растение или дерево бесцеремонно захватывают его, вовлека­ют в процесс фотосинтеза и превращают в более восстановленную химичес­кую форму. Если же наш атом будет проплывать над океаном, то, скорее всего, попав в толщу воды, он превратится в ион бикарбоната и будет блуждать ты­сячи лет между атмосферой, почвами и океаном. В конце концов свобода обер­нется для него захоронением в океанических отложениях, где наш углерод, ли­шенный движения, просуществует в течение 100 млн лет или более.

Подсчитано, что среднестатистический атом углерода за всю историю Земли (4-4,5 млрд лет) мог совершить до 20 таких путешествии между оса­дочными породами и атмосферой.

Наличие углерода непосредственно связано с наличием кислорода, поскольку на каждую молекулу кислорода должна где-то существовать и молекула восстановленного углерода. Это позволяет оценивать запасы углерода в биосфере величи­ной порядка 2-10¹⁵—2* 10¹⁶ т. Казалось бы, такого количества углерода должно хватить на многие миллионы лет. Так оно и есть. Сложность, однако, в том, что большая часть этого эле­мента распылена. А то, что мы извлекаем на поверхность Зем­ли в виде угля, нефти и других полезных ископаемых, это лишь малая доля общего количества восстановленного угле­рода в осадочных породах.

В воде углекислый газ растворяется в 35 раз лучше кисло­рода. От его содержания зависит количество растворенных гидрокарбонатов, т.е. жесткость воды. Если содержание С0₂ в воде уменьшается, то выпадает осадок нерастворенного карбо­ната, который будет растворен при восстановлении равнове­сия между углекислым газом и гидрокарбонатом.

В технике и быту нарушение углекислотного равновесия приводит к образованию накипи в котлах ТЭЦ и других сис­темах, использующих воду. В природных условиях результа­том этой реакции является образование полостей в земной ко­ре, сталактитов и сталагмитов.

Круговорот кислорода является очень сложным циклом. В него вовлечено большое количество представителей органи­ческого и неорганического мира, а также водород и вода, рас­творяющая кислород (рис. 3). Кислород постоянно цирку­лирует в океане, биосфере и осадочных породах. Содержание кислорода в воде зависит от его растворимости на поверхнос­ти и фотосинтеза водорослями. Загрязнение воды взвешенны­ми частицами уменьшает ее прозрачность, увеличивает рассе­яние света и снижает активность фотосинтеза. Содержание кислорода в воде является одним из показателей ее здоровья. По данным замеров, в большинстве наших водоемов эта вели­чина сейчас ниже нормы.

Кислород является самым распространенным элементом на Земле. В гидросфере его содержится 85,82 % по массе, в литос­фере - 47 %, в атмосфере - 23,15 %.

Рис. 3. Круговорот кислорода в биосфере

В процессе сгорания ископаемого топлива образуется до­вольно большое количество воды, которая в конечном счете потребляется растением и разлагается в процессе фотосинте­за на атомарный водород и атомарный кислород. Высвободив­шийся кислород снова поступает в атмосферу и используется для создания органического вещества. Круг замыкается.

Итак, единственным производителем животворного кис­лорода является зеленое вещество растений. Растения - естес­твенные накопители космической солнечной энергии. Потре­бители же его - человек, животные, почвенные организмы и сами растения, которые используют кислород в процессе ды­хания. Причем если на заре человечества кислород в основном употреблялся при дыхании, то в наше время научно-техниче-ских революций огромная масса кислорода идет на обеспече­ние промышленного производства, хозяйственной деятель­ности человека и средств коммуникаций. В огромных коли­чествах кислород расходуется при сжигании топлива в двига­телях автомобилей, самолетов, кораблей, сельскохозяйствен­ных машин, топках электростанций и т.д.

Взрослое дерево за сутки производит 180 л кислорода, а взрос­лый человек потребляет его в количестве 360 л, если ничего не де­лает, и до 700-900 л, когда работает. Но это выглядит сущим пус­тяком на фоне других цифр. Так, легковой автомобиль, за 1 тыс. км пробега расходует столько кислорода, что его хватило бы челове­ку на год, а современный реактивный самолет за время перелета из Америки в Европу сжигает от 35 до 55 т кислорода!

Таким образом, деятельность человека во всех ее проявле­ниях значительным образом влияет на современный кругово­рот кислорода. Общее количество свободного кислорода в ат­мосфере оценивается цифрой 1,8-10¹⁵ т. Это именно то коли­чество, которое накопилось благодаря деятельности зеленых растений. В год на современном этапе эволюции Земли проду­цируется 1,55-10⁹ т кислорода. Расходуется 2,16-10¹⁰т. Из при­веденных цифр видно, что расход кислорода превышает его об­разование больше чем на порядок.

Круговорот азота. Особое место среди биогенных элемен­тов занимает азот - важный строительный материал для бел­ков, нуклеиновых кислот и других соединений. Азот распрос­транен в биосфере крайне неравномерно. В больших количес­твах он содержится в биогенных ископаемых (уголь, нефть, битум, торф). Вследствие высокой растворимости солей азот­ной кислоты и солей аммония содержащегося в почвах азота, как правило, недостаточно для нормального питания расте­ний. В почве его содержится всего от 0,02 до 0,5%, и то лишь благодаря деятельности микроорганизмов некоторых расте­ний и разложению органических веществ. В то же самое вре­мя миллионы тонн азота находятся в атмосфере.

Рис. 4. Круговорот азота в биосфере

Несмотря на то что в атмосфере присутствует довольно боль­шое количество азота, большинство организмов не может асси­милировать его. Буквально купаясь в азоте, растения не в состо­янии извлечь его из воздуха. Азот практически не участвует в гео­химических процессах и лишь накапливается в атмосфере.

Основными стадиями круговорота азота являются фиксация, аммонификация, нитрификация и денитрификация (рис. 4).

Пути фиксации азота в биосфере могут быть разными. Прежде всего, это поступление его вместе с дождевыми вода­ми из атмосферы, главным образом во время гроз. Небольшая часть азота попадает в биосферу при вулканических изверже­ниях и значительное количество - в результате выбросов про­мышленных предприятий. Но основным источником азота яв­ляется биологическая фиксация - связывание атмосферного азота свободноживущими азотфиксирующими бактериями - азотобактером, цианобактериями и другими, а также азотфиксаторами, живущими в симбиозе (совместное сожительство) с высшими растениями, например клубеньковые бактерии на корнях бобовых растений, таких, как арахис, соя, чечевица, фасоль, люцерна, клевер, люпин и др. Фиксируя атмосферный азот, они снабжают растение-хозяина доступными для него соединениями азота в виде нитратов и нитритов.

В таких симбиотических системах азот становится досту­пен растениям в виде иона аммония (NH⁺₄). После отмирания растений и разложения клубеньков почва обогащается орга­ническими и минеральными формами азота. Азотсодержащие органические вещества отмерших растений и животных, а так­же мочевина и мочевая кислота, выделяемая животными и грибами, расщепляются гнилостными бактериями до аммиака.Такой процесс получил название аммонификации.

Нитрификация заключается в том, что часть аммиака может поглощаться в виде иона аммония NH⁺ непосредственно расте­ниями, часть вымывается из почвы, а оставшийся аммиак окис­ляется специализированными нитрифицирующими бактерия­ми до нитритов и нитратов, которые вновь используются расте­ниями.

Различные формы азотистых соединений почвы и водной среды могут восстанавливаться некоторыми бактериями до ок­сидов и молекулярного азота. Этот процесс называется денит­рификацией.

После того как круговорот азота был в общих чертах изу­чен, стала понятна роль бактерий-денитрификаторов. Без та­ких бактерий, возвращающих азот в атмосферу, большая часть атмосферного азота находилась бы сейчас в связанной форме в океане и в осадочных породах. Таким образом, в ходе денитрификации связанный азот удаляется из почвы и воды, и в виде газообразного азота воз­вращается в атмосферу. Денитрификация замыкает цикл азо­та и препятствует накоплению его оксидов, которые в высо­ких концентрациях токсичны.

Круговорот фосфора. Биологическое и биохимическое зна­чение фосфора в жизни живой клетки, организмов, экосистем и биосферы в целом исключительно велико. Фосфор входит в сос­тав тканей мозга, скелета, панцирей животных. Без фосфора не­возможен синтез белка. Так же, как кислород, углерод и азот, фос­фор является биофилом и его биогеохимический круговорот про­текает совместно с этими элементами. В биосфере преобладают соединения пятивалентного фосфора, поэтому обычно во всех ис­точниках приводится содержание его оксида Р₂0₅ (рис. 5).

Среднее содержание фосфора в земной коре составляет 0,09 %. Основные запасы его находятся в горных породах, в донных отложениях морей и океанов, в гумусовом горизон­те наземных и подводных почв. Главное геохимическое нап­равление мирового круговорота соединений фосфора наце­лено в сторону озер, устьев рек, морей и шельфа океана. Не образующий летучих соединений фосфор имеет тенденцию накапливаться в море. Вынос фосфора из моря на сушу осу­ществляется в основном с рыбой и пометом морских птиц.

Живое вещество ненарушенной биосферы и экосистемы суши удерживают огромное количество фосфора. Есть дан­ные, свидетельствующие о том, что в лесных подстилках со­держание фосфора может достигать 100 кг/га. Гумусовая обо­лочка почвы является естественным аккумулятором соедине­ний этого элемента. Содержание фосфора в почве значитель­но превышает таковое в земной коре. В связи с этим сведение лесов, уничтожение лесной подстилки и замена естественных лесных экосистем агроэкосистемами приводит к изменениям запасов фосфора и его круговорота в биосфере.

Рисунок 5 – Круговорот фосфора

Круговорот серы. Сера также играет существенную роль в круговороте веществ в биосфере. В виде органичес­ких и неорганических соединений сера постоянно присутству­ет во всех живых организмах и является важным биогенным элементом, она входит в состав широко распространенных со­единений: белков, аминокислот, коферментов, витаминов.