Известно,
что из более 90 химических элементов, встречающихся в природе, 30 – 40
необходимы живым организмам. Некоторые элементы, такие как углерод,
водород и азот, требуются в больших количествах, другие – в малых.
Химические
элементы циркулируют в биосфере по определённым путям, обеспечивая
свою неисчерпаемость. В связи с этим реализуется закон сохранения
вещества: атомы в химических реакциях никогда не исчезают,
не образуются и не превращаются друг в друга; они только
перегруппировываются с образованием различных молекул и соединений
(одновременно происходит поглощение или выделение энергии). В силу
этого атомы могут использоваться в самых различных соединениях и запас
их никогда не истощается. Именно это происходит в биосфере в виде
круговоротов элементов. При этом выделяют два круговорота: большой
(геологический) и малый (биотический).
Большой круговорот
измеряется масштабами геологического времени и длится сотни тысяч или
миллионы лет. Он заключается в том, что происходит постоянное
превращение материковой коры в океаническую и наоборот. Продукты
разрушения и выветривания горных пород выносятся сточными водами в
Мировой океан, где они образуют отложения. Медленные геотектонические
процессы движения и опускания материков и поднятия морского дна,
перемещение морей и океанов в течение длительного времени приводят к
тому, что эти отложения возвращаются на сушу и процесс начинается
вновь.
На фоне этого глобального круговорота веществ в биосфере непрерывно происходят малые (биотические) круговороты. Малый круговорот
является частью большого круговорота и происходит на уровне экосистем.
Он заключается в том, что питательные вещества почвы, вода, углерод и
другие элементы аккумулируются в веществе растений и расходуются на
поддержание собственных жизненных процессов и жизненных процессов
организмов-консументов. Продукты распада органического вещества
(опавшие листья, умершие растения и животные) с помощью бактерий,
грибов, червей, моллюсков и т. д. вновь разлагаются до минеральных
компонентов, которые снова становятся доступными растениям и тем самым
вновь вовлекаются ими в поток вещества.
Круговорот химических
веществ из неорганической среды в органическую среду и обратно,
осуществляемый через растительные и животные организмы с использованием
солнечной или химической энергии, называют биогеохимическим циклом.
На рисунке двойными стрелками показаны направления переноса
органических веществ, одинарными стрелками – направления переноса
наиболее важных неорганических веществ.
Наиболее значимыми для
функционирования биосферы являются круговороты основных элементов,
входящих в состав живого вещества: углерода, кислорода, азота, фосфора и
серы, поскольку они являются компонентами для построения основных
молекул живого вещества – углеводов, липидов, белков и нуклеиновых
кислот. Эти круговороты создаются живым веществом и одновременно
поддерживают жизнедеятельность самих живых организмов. В процессе
фотосинтеза за год зелёными растениями потребляется 480 млрд. т
вещества, выделяется в атмосферу 250 млрд. т свободного кислорода. При
этом создаётся 240 млрд. т живого вещества, а в круговорот вовлекается 1
млрд. т азота, 260 млн. т фосфора, 200 млн. т серы и т.п.
За
время существования биосферы свободный кислород атмосферы обновлялся не
менее миллиона раз, а воды Мирового океана прошли через биогенный цикл
не менее 300 раз.
Углерод в биосфере часто
представлен наиболее подвижной формой – углекислым газом. Источником
первичной углекислоты биосферы является вулканическая деятельность.
Миграция углекислого газа в биосфере Земли протекает двумя путями.
Первый путь заключается в поглощении его в процессе фотосинтеза с
образованием органических веществ и в последующем захоронении их в
литосфере в виде торфа и угля, горных сланцев, рассеянной органики,
осадочных горных пород. Так, в далёкие геологические эпохи сотни
миллионов лет назад значительная часть фотосинтезируемого органического
вещества не использовалась ни консументами, ни редуцентами, а
накапливалась и постепенно погребалась под различными минеральными
осадками. Находясь в породах миллионы лет, этот детрит под действием
высоких температур и давления превращается в нефть, природный газ и
уголь, во что именно – зависело от исходного материала,
продолжительности и условий пребывания в породах. Теперь мы в огромных
количествах добываем это ископаемое топливо для обеспечения
потребностей в энергии, а сжигая его, в определенном смысле завершаем
круговорот углерода.
По второму пути миграция углерода осуществляется созданием карбонатной системы в различных водоёмах, где СО2 переходит в Н2СО3, НСО31-, СО32-. Затем с помощью растворённого в воде кальция (реже магния) происходит осаждение карбонатов СаСО3 биогенным
и абиогенным путями. Возникают мощные толщи известняков. Наряду с этим
большим круговоротом углерода существует ещё ряд малых его
круговоротов на поверхности суши и в океане.
В пределах суши, где
имеется растительность, углекислый газ атмосферы поглощается в процессе
фотосинтеза в дневное время. В ночное время часть его выделяется
растениями во внешнюю среду. С гибелью растений и животных на
поверхности происходит окисление органических веществ с образованием СО2.
Особое место в современном круговороте веществ занимает массовое
сжигание органических веществ и постепенное возрастание содержания
углекислого газа в атмосфере, связанное с ростом промышленного
производства и транспорта.
Кислород –
наиболее активный газ. В пределах биосферы происходит быстрый обмен
кислорода среды с живыми организмами или их остатками после гибели. В
составе земной атмосферы кислород занимает второе место после азота.
Господствующей формой нахождения кислорода в атмосфере является молекула
О2. Круговорот кислорода в биосфере весьма сложен,
поскольку он вступает во множество химических соединений минерального и
органического миров.
Свободный кислород современной земной
атмосферы является побочным продуктом процесса фотосинтеза зеленых
растений и его общее количество отражает баланс между продуцированием
кислорода и процессами окисления и гниения различных веществ. В истории
биосферы Земли наступило такое время, когда количество свободного
кислорода достигло определённого уровня и оказалось сбалансированным
таким образом, что количество выделяемого кислорода стало равным
количеству поглощаемого кислорода.
Азот. Основная часть атомов азота находится в воздухе, который на 78 % состоит из одноимённого газа (N2). Однако растения не могут усваивать его непосредственно; для этого азот должен входить в состав ионов аммония (NH4+) или нитрата (NH3-).
К счастью, некоторые бактерии и ряд сине-зелёных водорослей способны
превращать газообразный азот в аммонийную форму в ходе так называемой
азотфиксации. Важнейшую роль среди азотфиксирующих организмов играют
бактерии, живущие в клубеньках на корнях бобовых растений. По пищевым
цепям органический азот передаётся от бобовых другим организмам
экосистемы.
Когда в процессе клеточного дыхания белки и другие
содержащие азот органические соединения расщепляются, азот выделяется в
среду главным образом в аммонийной форме. Некоторые бактерии могут
переводить ее в нитратную форму. Важно то, что обе эти формы могут
усваиваться любыми растениями. В результате азот совершает круговорот
как минеральный биоген. Однако такая минерализация обратима, поскольку
другие почвенные бактерии постепенно превращают нитраты снова в
газообразный азот. Правда, часть его окисляется в воздухе во время
грозовых разрядов и поступает в почву с дождевой водой, но таким
способом его фиксируется в 10 раз меньше, чем с помощью бактерий.
Таким
образом, все естественные экосистемы зависят от азотфиксирующих
организмов, поэтому крайне важна роль бактерий в клубеньках бобовых
растений. Это семейство включает огромное число представителей – от
клевера до тропических деревьев и пустынных кустарников. В каждой
крупной наземной экосистеме -–от дождевых экваториальных лесов до тундры
– есть характерные для неё виды бобовых. Интересно отметить, что
бобовые обычно первыми заселяют гари – на них процесс реколонизации
идёт значительно медленнее из-за недостатка в почве доступного азота. В
водных экосистемах круговорот азота выглядит сходным образом, но здесь
в роли основных азотфиксаторов выступают сине-зелёные водоросли.
Люди
научились создавать искусственные экосистемы, выращивая урожаи
кукурузы, пшеницы и других зерновых культур без участия бобовых. При
этом азот воздуха фиксируется на химических заводах. Искусственно
полученные аммоний и нитрат представляют собой основные ингредиенты
минеральных удобрений. Однако их высокая цена вынуждает специалистов
реконструировать естественные условия, чередуя в севообороте бобовые и
остальные культуры.
Фосфор. Этот элемент
входит в состав генов и молекул, переносящих энергию внутрь клеток. В
различных минералах фосфор содержится в виде неорганического
фосфат-иона (РО43-). Фосфаты растворимы в воде, но
не летучи. Растения поглощают фосфат-ион из водного раствора и
включают фосфор в состав различных органических соединений, где он
выступает в форме так называемого органического фосфата. По пищевым
цепям фосфор переходит от растений ко всем прочим организмам
экосистемы. При каждом переходе велика вероятность окисления
содержащего фосфор соединения в процессе клеточного дыхания для
получения организмом энергии. Когда это происходит, фосфат в составе
мочи или её аналога вновь поступает в окружающую среду, после чего
снова может поглощаться растениями и начинать новый цикл.
У
фосфора нет газовой фазы и, следовательно, нет «свободного возврата» в
атмосферу. Попадая в водоёмы, фосфор насыщает, а иногда и перенасыщает
экосистемы. Обратного пути, по сути дела, нет. Что-то может вернуться
на сушу с помощью рыбоядных птиц, но это очень небольшая часть общего
количества, оказывающаяся к тому же вблизи побережья. Океанические
отложения фосфата со временем поднимаются над поверхностью воды в
результате геологических процессов, но это происходит в течение
миллионов лет.
Следовательно, фосфат и другие минеральные биогены
почвы циркулируют в экосистеме лишь в том случае, если содержащие их
отходы жизнедеятельности откладываются в местах поглощения данного
элемента. В естественных экосистемах так в основном и происходит. Когда
же в их функционирование вмешивается человек, он нарушает естественный
круговорот, перевозя, например, урожай вместе с накопленными из почвы
биогенами на большие расстояния к потребителям.
Сера.
Сера является важным составным элементом живого вещества. Большая
часть её в живых организмах находится в виде органических соединений.
Кроме того, сера входит в состав некоторых биологически активных
веществ, а также ряда веществ, выступающих в качестве катализаторов
окислительно-восстановительных процессов в организме и активизирующих
некоторые ферменты.
Сера представляет собой исключительно активный
химический элемент биосферы и мигрирует в разных валентных состояниях в
зависимости от окислительно-восстановительных условий среды. Среднее
содержание серы в земной коре оценивается в 0,047 %. В природе этот
элемент образует свыше 420 минералов.
В изверженных породах сера находится преимущественно в виде сульфидных минералов: пирита FeS2 , пирронита Fe7S8, халькопирита FeCuS2,
в осадочных породах содержится в глинах в виде гипсов, в ископаемых
углях – в виде примесей серного колчедана и реже в виде сульфатов. Сера
в почве находится преимущественно в форме сульфатов; в нефти
встречаются её органические соединения.
В связи с окислением
сульфидных минералов в процессе выветривания сера в виде сульфат-иона
переносится природными водами в Мировой океан, где SO42-
занимает второе место по распространению после хлора. Сера поглощается
морскими организмами, которые богаче её неорганическими соединениями,
чем пресноводные и наземные организмы.
Отметим одну важную
особенность малых круговоротов. Применительно к ним понятие круговорота
достаточно условно, поскольку природные круговороты не являются
замкнутыми. Не всё образуемое при разложении органики неорганическое
вещество снова используется живыми организмами. Неиспользуемая его
часть образует, в частности, осадочные породы, как в океане, так и на
суше, включаясь в большой геологический круговорот. Вещества «не
теряются» для биосферы в целом, но уходят из малого круговорота.
Круговорот воды
является одним из грандиозных процессов на поверхности земного шара.
Он играет главную роль в связывании геологического и биотического
круговоротов.
В биосфере вода, непрерывно переходя из одного
состояния в другое, совершает малый и большой круговороты. Испарение
воды с поверхности океана, конденсация водяного пара в атмосфере и
выпадение осадков на поверхность океана образуют малый круговорот. Если
же водяной пар переносится воздушными течениями на сушу, круговорот
становится значительно сложнее. В этом случае часть осадков испаряется и
поступает обратно в атмосферу, другая питает реки и водоёмы, но в
итоге вновь возвращается в океан речным и подземным стоком, завершая
тем самым большой круговорот. Кроме того, в круговороте воды участвуют
ювенальные (подземные) воды, извергаемые вулканами и гейзерами, воды
поверхностного стока (реки, озера, ледники), а также испарение влаги с
поверхности растений (транспирация). Важное свойство круговорота воды
заключается в том, что он, взаимодействуя с литосферой, атмосферой и
живым веществом, связывает воедино все части гидросферы: океан, реки,
почвенную влагу, подземные воды и атмосферу. Вода – важнейший компонент
всего живого. Грунтовые воды, проникая сквозь ткани растений в процессе
транспирации, привносят минеральные соли, необходимые для
жизнедеятельности самих растений.
В целом для всего земного шара
существует один источник притока воды – атмосферные осадки и один
источник расхода – испарение, составляющие 1030 мм/год.
Наиболее
замедленной частью круговорота воды является деятельность полярных
ледников (активность водообмена - 8000 лет). Наибольшей активностью
обмена после атмосферной влаги (активность - 10 дней) отличаются речные
воды, которые сменяются в среднем каждые 11 дней.