Тема 4 . Круговороты веществ в биосфере

Для существования живой материи, кроме потока энергии высокого качества, нужен «строительный материал». Это необходимый набор химических элементов числом более 30 - 40 (углерод, водород, азот, фосфор. сера, железо и др.). Одни элементы нужны в большом объеме, а другие - в минимальных количествах. Отсутствие любого элемента, вне зависимости от требуемого количества, невосполнимо, и его отсутствие для организма носит катастрофический характер.

Химические элементы содержатся в окружающей среде в весьма ограниченных количествах. Кроме того, в процессе жизнедеятельности они могут «связываться» органическими веществами и стать недоступными для живых организмов. Непрерывность существования жизни «требует» непрерывного высвобождения необходимых химических элементов из органических веществ и непрерывного их транспорта к продуцентам. Безостановочный планетарный процесс закономерного циклического, неравномерного во времени и пространстве перераспределения вещества называется круговоротом веществ.

Солнечная энергия «обеспечивает» на Земле два круговорота веществ:

♦ большой, или геологический (абиотический);

♦ малый, или биологический (биотический).

Большой (геологический, абиотический) круговорот. Атмосферные осадки, проникающие в обломочную породу, обусловливают растворение и передвижение растворимых продуктов выветривания. Быстрее всего и на большее расстояние переносятся наиболее подвижные соединения. Соединения хлора и серы, отнесенные к наиболее подвижным, вымываются в форме солей с эквивалентным количеством оснований из следующего ряда. Неподвижность Si02 кварца относительная. Некоторая часть элементов, преимущественно наиболее подвижных, выносится в речную сеть и поступает в моря и океаны. Кроме того, реки несут взмученные частицы, полученные в результате размывания русел и смывания их с поверхности.

Весь этот материал откладывается на дне океанов (морей) частью непосредственно, частью после его переработки морскими организмами. В течение тысячелетий на дне океанов образуется мощная толща осадочных пород. По мере погребения новыми осадками ранее отложенные претерпевают глубокие изменения под влиянием возрастающего давления и температуры. В зависимости от степени изменения они переходят в различные метаморфические породы, и затем кристаллические сланцы. В последующем под влиянием тектонических процессов и морских регрессий отложенные на дне океанов (морей) породы могут выходить на дневную поверхность, подвергаться новому континентальному выветриванию. Тогда наступает новый цикл большого геологического круговорота.

Таким образом, большой геологический круговорот элементов слагается из процессов:

· континентального выветривания горных пород, в результате которого образуются подвижные соединения;

· переноса этих соединений с континентов в моря и океаны;

· отложения на дне морей и океанов с последующим метаморфозом;

· нового выхода морских осадочных и метаморфических пород на дневную поверхность.

МАЛЫЙ, Биологический (биотический) круговорот веществ включает в себя круговороты отдельных элементов: углерода, кислорода, азота, фосфора, серы и многих других. Каждый из круговоротов отдельных элементов имеет «узкие места», то есть затормаживание процесса превращений. Причиной торможения может быть низкая численность вида, участвующего в преобразованиях, или его низкая эффективность. Как правило, число видов, узко специализированных к использованию того или иного элемента, мало, и при их исчезновении есть большая вероятность разрыва круговорота, что может рассматриваться как экологическая катастрофа. Обеспечение постоянного взаимодействия большого геологического и малого биологического круговоротов веществ осуществляет почва, которая здесь выступает как важное связующее звено, так как на нее замыкаются круговороты биогенных элементов (углерода, азота, фосфора, калия, кальция и др.).

Различают два типа биохимических круговоротов:

♦ круговорот газообразных веществ (кислорода, углекислого газа, азота и др.) или газовый цикл;

♦ осадочный цикл (круговорот твердых и жидких веществ, например, известняка, мрамора и др.).

При затормаживании на отдельных участках круговорота веществ происходит накопление отдельных соединений, то есть формируется резервный фонд соответствующего вещества, который впоследствии «обеспечивает» сложную систему запасами данного вещества.

Все планетарные кругово­роты веществ тесно переплетены, образуя единый гло­бальный круговорот, в котором осуществляется перенос вещества и энергии. Это означает, что все химические эле­менты участвуют как в геологическом, так и в биотическом круговоротах. Зачастую некоторые круговороты являются замкнутыми и их называют биогеохимическими циклами. Перемещение и превращение химических элементов через косную и органическую природу при активном участии живого вещества называется биогеохимическим циклом. Учение о биогеохимических циклах разработал В.И. Вернадский.

В биогеохимических циклах выделяют две части: 1) резервный фонд; 2) обменный фонд.

Резервным фондом называется количество химического элемента биосферы в составе косного или биогенного вещества, находящееся в труднодоступной для миграции форме и исключенное из биогеохимического круговорота. Например, резервным фондом углерода является атмосфера, осадочные породы, ископаемое топливо; главный резервуар биологически связанного углерода – леса. Количество химического элемента, входящее в состав живого, биогенного или биокосного веществ, находящееся в постоянном биогеохимическом круговороте, называется обменным фондом. Количество химического элемента, входящее в состав косного или биогенного вещества и исключенное из биогеохимического круговорота, называется резервным фондом. Оба типа биохимических круговоротов имеют резервные фонды в атмосфере, гидросфере и в земной коре.

Круговорот углерода. Углерод – главный участник биотического круговорота. Биотический круговорот углерода в наземных экосистемах начинается с фиксации углекислого газа растениями в процессе фотосинтеза.

Круговорот азота. Объемное содержание азота в ат­мосфере достигает 78%, т.е. атмосфера представляет собой крупнейшую кладовую этого элемента. Резервным фондом свободного азота в биосфере является атмосфера.

Азотосодержащие вещества мертвых организмов и экс­кретов с помощью редуцентов постепенно превращают­ся в неорганические. Конечным звеном редукционной цепи являются аммонифицирующие организмы, образующие аммиак NH₃. Часть NH₃ входит в цикл нитрификации, где соответствующими бактериями превращается в нитриты и нитраты.

Последним звеном в процессе восстановления молеку­лярного азота являются бактерии — денитрофикаторы. Обратный процесс денитрификации называется азотофиксацией. В почве обитают свободноживущие азотофик-сирующие бактерии {Azotobacter, Clostridium), синтезирую­щие сложные протеиды. Отмирая, они обогащают почву органическим азотом (до 25 кг в год на 1 га), который до­статочно быстро минерализуется редуцентами.

Самая эффективная фиксация азота проводится клу­беньковыми бактериями бобовых растений (Rhizobium). Таким путем в этих растениях на одном гектаре накаплива­ется до 400 кг азота в год.