2. Основы биогеохимии

2.1. Биогеохимические циклы веществ

Между живым и косным веществом биосфере под действием лучистой энергии Солнца происходит постоянный обмен химическими элементами. Если бы все вещество на Земле не было бы вовлечено в круговорот, жизнь быстро исчерпала бы себя: все доступные живой природе вещества перешли бы в массу мертвой органики.

Наука биогеохимия изучает процессы взаимодействия живых организмов с неорганическим веществом, приводящие к разрушению горных пород, образование морских пластов и другим подобным процессам, итогом которых является закономерное распределение химических элементов в биосфере.

Вещества, находящиеся в круговороте, перемещаются в пространстве, входя последовательно в состав различных компонентов биосферы. Активную роль в процессах перемещения и превращения веществ играют живые организмы биосферы.

Пути, по которым движутся химические элементы, называются биогеохимическими циклами (от слов «био» − жизнь, живые организмы и «гео» − неорганическая природа) или биогеохимическими круговоротами веществ.

Представление о биогеохимических циклах ввел в науку В.И. Вернадский, который видел в них основу организованности биосферы. Особое внимание Вернадский уделял роли живых организмов в биогеохимических круговоротах. Он сформулировал следующий закон миграции: «Миграция химических элементов на земной поверхности и в биосфере в целом осуществляется или при непосредственном участии живого вещества (биогенная миграция) или же она протекает в среде, геохимические особенности которой обусловлены живым веществом, как тем, которое в настоящее время населяет биосферу, так и тем, которое действовало на Земле в течении всей геологической истории».

Биогеохимические циклы являются обязательным условием устойчивости природных экосистем, обуславливая постоянство химического состава различных элементов биосферы.

Полный биогеохимический круговорот многих элементов длится сотни тысяч и миллионы лет, так как включает в себя медленные процессы разрушения горных пород, выветривания продуктов разрушения и снесения их потоками в мировой океан, образования отложений на дне океана, которые частично возвращаются на сушу с атмосферными осадками и с извлекаемыми на сушу водными организмами. Кроме того, в биогеохимический цикл входят постоянно идущие очень медленные процессы опускания морского дна и поднятия материков. Полный цикл круговорота воды составляет примерно 2 млн. лет, кислорода − 2000 лет, углекислого газа − 300 лет.

Вообще все вещества в биогеохимическом круговороте движутся по спирали, новый виток которой не повторяет полностью предыдущий. В результате этого постоянно меняется вся геологическая оболочка Земли.

В качестве примера рассмотрим биогеохимический цикл воды, на который затрачивается более трети поступающей на Землю солнечной энергии. В ходе круговорота вода переходит из жидкого в газообразное состояние и опять в жидкое в ходе процессов испарения с поверхности Земли (водоемов и почвы) и транспирации.

Транспирация − это процесс биологического испарения воды через листья растений.

Подсчитано, что в круговороте веществ на Земле участвуют более 500 тыс. км³ воды в год (500·10²⁷ тонн).

Особенностью круговорота воды является то, что с поверхности океана испаряется воды больше, чем возвращается с осадками. Количество воды, испарившейся с суши, наоборот, меньше, чем объем выпавших осадков. Эта вода поступает в экосистемы суши, а ее излишек возвращается в океан с грунтовыми водами и поверхностным стоком. Круговорот воды играет важную роль в формировании климата Земли.

В пределах единого биогеохимического круговорота какого-либо элемента можно выделить его часть, связанную с деятельностью живых организмов. Это так называемый малый или биологический круговорот этого элемента.

В основе малого круговорота лежат процессы синтеза и разрушения органических соединений, входящих в состав живых клеток. Эти два взаимосвязанных процесса обеспечивают жизнь на Земле и составляют одну из ее главных особенностей. К подобным процессам в первую очередь относятся фотосинтез, хемосинтез и дыхание. В ходе малого круговорота соединения углерода, вода и питательные вещества почвы накапливаются в растениях, образуя различные органические вещества. Синтезированные вещества частично расходуются на жизненные процессы растений, а затем в процессе питания переходят к животным. Образующиеся отходы жизнедеятельности и продукты распада органических соединений разлагаются микроорганизмами до простых минеральных веществ и вновь вовлекаются в круговорот.

В составе малого круговорота можно выделить четыре основных составляющих: запасы минеральных веществ в воде и почве, продуценты, консументы, редуценты.

Продуценты создают первичное органическое вещество, продуцируя его из неорганического. К ним относятся растения и некоторые микроорганизмы.

Консументы питаются созданным продуцентами органическим веществом, но не доводят его разложение до простых минеральных компонентов. Это животные, рыбы, птицы, а также человек.

Редуценты перерабатывают отходы жизнедеятельности продуцентов и консументов, образуя замкнутый цикл органического вещества. Редуцентами являются некоторые микроорганизмы и насекомые (личинки насекомых, черви), а также грибы.

Масса вещества, входящего в состав живых организмов, составляет 0.01% от общей массы биосферы или 0,0001% от веса земной коры. Однако вещества перемещается по малому круговороту с очень большой скоростью, в сотни тысяч и миллионы раз превышающей скорость веществ в большом круговороте. Это объясняется тем, что все процессы в живых организмах ускоряются особыми биологическими катализаторами − ферментами. В каждой живой клетке имеются сотни ферментов, с помощью которых при относительно низких температурах осуществляются сложные органические превращения. Совокупность катализируемых ферментами химических реакций составляет основу обмена веществ в живых организмах.

При рассмотрении потоков вещества и энергии в биосфере необходимо учесть, что в природе химические элементы распределены неравномерно. В любой экосистеме и биосфере в целом различают резервный и обменный фонды элементов.

Резервный фонд составляет большая часть вещества, в основном не связанного с живыми организмами и находящаяся в состоянии медленного геологического круговорота. Это вещество горных пород, нижних слоев почвы, большая часть газообразных веществ в атмосфере, глубинные отложения на дне океана и т.д.

В зависимости от местонахождения основного резерва химического элемента выделяют два типа круговоротов веществ.

1) Круговороты газообразных веществ с основным резервным фондом в атмосфере (реже в гидросфере).

Рис. 1 Принципиальная схема круговорота газообразных веществ

К этому типу относятся круговороты азота, кислорода.

Круговороты газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере обычно наиболее отлажены и лучше поддаются саморегуляции. Это обусловлено большей подвижностью воздушных масс и большей скоростью обмена веществ в атмосфере.

2. Осадочные циклы с резервным фондом в литосфере (в основном в виде минеральных отложений в земной коре).

Рис. 2 Принципиальная схема осадочных циклов

Примерами являются круговороты серы, фосфора, железа.

Осадочные циклы менее стабильны, так как вещество литосферы менее подвижно, чем вещество атмосферы. Поэтому круговороты веществ с резервом в литосфере больше подвержены изменениям извне. Большая масса вещества, находящегося в резервном фонде, может выйти из круговорота и перейти в более глубокие отложения, недоступные живым организмам.

В отличие от резервного обменный фонд представляет собой сравнительно небольшое количество вещества, для которого характерен быстрый обмен между живыми организмами и окружающей средой. В обменном фонде находятся в основном биогенные элементы, входящие в состав живых организмов.

Круговороты веществ, находящихся в обменном фонде, обеспечиваются живыми организмами или живым веществом, по определению В.И. Вернадского. Он выделил пять функций живого вещества, обеспечивающих его вовлечение в малый круговорот:

1) газовая функция − образование различных газов при разложении органического вещества; именно таким путем образованы основные газы современной атмосферы;

2) концентрационная функция − заключается в том, что живые организмы накапливают (концентрируют) в своих телах многие химические элементы (углерод, кальций, водоросли − кремний и йод, позвоночные − фосфор);

3) окислительно-восстановительная функция − изменение степени окисления организмов и переход их из одной формы в другую;

4) биохимическая функция − увеличение количества живого вещества и перемещение его по планете;

5) биогеохимическая деятельность человека − изменяет круговороты большинства элементов.

Круговороты веществ являются обязательным условием саморегуляции природных экосистем. Чем лучше организованы круговороты химических элементов в системе, тем она стабильнее. Стабильные экосистемы обладают способностью поглощать элементы из окружающей среды и сохранять их в обменном фонде.

Основным источником энергии для осуществления круговоротов всех элементов служит Солнце. Каждый элемент движется в биосфере по своему особому пути, но круговороты всех веществ взаимосвязаны и часто пересекаются. Круговорот веществ на Земле связан с космическим круговоротом. Образующиеся на Земле легкие газы (водород, гелий) попадают в космическое пространство. С другой стороны, из космоса с космической пылью, метеоритами, солнечным ветром на Землю поступает большое количество химических элементов.

В настоящее время человек оказывает сильное влияние на круговороты многих элементов. При добыче природных ресурсов истощаются резервные фонды элементов в литосфере. При этом большая часть вещества выходит из круговорота. В результате деятельности человека круговороты многих элементов теряют цикличность, что ведет к снижению устойчивости всей биосферы в целом. Сам человек, являясь компонентом биосферы, также ощущает негативное последствие своей деятельности: в одних мессах возникает нехватка природных ресурсов, а в других − избыток продуктов их переработки, ведущий к загрязнению среды.

Одной из основных задач охраны природы является возвращение веществ в круговорот и возвращение цикличности природным процессам.