3.2. Круговорот основных биогенных элементов

В пределах биосферы практически каждый химический элемент проходит через цепочку живых организмов, включается в систему биогеохимических превращений. Так, весь кислород планеты - продукт фотосинтеза – обновляется примерно через каждые 2000 лет, а весь углекислый газ – за 6,3 года. Процесс полной смены вод на Земле (в гидросфере) осуществляется за 2800 лет. Обновление живого вещества биосферы происходит в среднем за 8 лет, при этом фитомассы суши (биомассы наземных растений) – 14 лет, а для океана, где преобладают организмы с коротким периодом жизни (например, планктон) – 33 дня.

Для синтеза живого вещества необходимо примерно 40 элементов. Наиболее жизненно важными считаются вещества, из которых состоят белковые молекулы – углерод, азот, кислород, фосфор и сера. Другие элементы требуются в меньших количествах, но они также необходимы. Это кальций, железо, калий, магний и др. Все элементы попеременно переходят из живой материи в материю косную (неживую), участвуя в сложных биогеохимических циклах. Последние можно разделить на две группы:

• круговорот газов, в котором главным резервуаром элементов служит атмосфера (круговорот углерода, азота, кислорода и воды),

• круговорот осадочный, элементы которого в твердом состоянии находятся в составе осадочных пород (круговорот фосфора, железа, серы).

Циклы элементов существенно отличаются от простого физического преобразования энергии, которая в конце концов выделяется в виде тепла и никогда потом не используется снова.

3.2.1. Круговорот углерода

Углерод (С) встречается на нашей планете в разнообразных соединениях, начиная с нахождения в виде чистого углерода (уголь, графит и т.д.), вплоть до высокомолекулярных органических соединений. Основой биогенного круговорота этого элемента является неорганическое соединение – диоксид углерода (углекислый газ СО₂), образующееся при разложении угольной кислоты (рис. 3.2).

Н₂СО₃ = СО₂ + Н₂О

Рисунок 3.2 - Круговорот углерода в биосфе

Единственным источником углерода, используемого растениями для синтеза органических веществ, служит углекислота, входящая в состав атмосферы или находящаяся в растворенном состоянии в воде.

В результате фотосинтеза из диоксида углерода и воды образуются углеводы и высвобождается кислород, поступающий в атмосферу. Часть образовавшихся углеводов используется самим фотосинтезирующем организмом (зеленым растением) для получения энергии, идущей на рост и развитие, а часть потребляется животными при применении фотосинтетиков (растений) в пищу. При этом диоксид углерода уходит в окружающую среду через корни, листья, а также выделяется животными в процессе дыхания. Мертвые животные и растения постепенно разлагаются микроорганизмами почвы, углерод их тканей окисляется снова до углекислоты и возвращается в атмосферу. Аналогичный процесс происходит в океане.

Благодаря фотосинтезу в атмосфере накопилось достаточное количество для процветания белковой жизни свободного кислорода. Фотосинтезирующие зеленые растения и карбонатная система моря эффективно удаляют избыток СО₂ из атмосферы, который может привести к перегреву планеты. Однако возросшее потребление ископаемого топлива, газовые выбросы промышленности, а также снижение поглотительной способности зеленых растений в связи со значительным сокращением лесов и влияние химических загрязнителей на сам процесс фотосинтеза начинают заметно изменять атмосферный фонд круговорота углерода. Продолжительность круговорота углерода равна ~ 300…1000 лет. В настоящее время содержание углекислого газа в атмосфере увеличивается за счет дыхания, брожения и главное, сгорания органического топлива. Существует реальная опасность того, что в результате развития промышленного производства и нарушения равновесного состояния биосферы содержание СО₂ в атмосфере может вырасти до таких масштабов, что приведет к увеличению парникового эффекта и глобальному изменению климата.