31. Круговороты биогенных элементов и их модификация. Кругообороты газообразного и осадочного циклов. Круговороты воды, углерода, азота, фосфора и серы.

Количество неорганических веществ, из которых автотрофы создают органические вещества в биосфере конечно, но оно приобрело свойство бесконечности через круговороты веществ.

Круговорот веществ – многократное участие веществ в процессах, протекающих в атмосфере, гидросфере, литосфере в том числе и в тех их частях, которые входят в состав биосферы.

Основных круговоротов веществ в природе 2: большой (геологический) и малый (биохимический).

Большой (геологический) круговорот веществ в природе обусловлен взаимодействием солнечной энергии с глубинной энергией Земли и осуществляет перераспределение вещества между биосферой и более глубокими горизонтами Земли.

Осадочные горные породы, образованные за счет выветривания магматических пород, в подвижных зонах земной коры вновь погружаются в зону высоких температур и давлений. Там они переплавляются и образуют магму – источник новых магматических пород. После поднятия этих пород на поверхность и действия процессов выветривания вновь происходит трансформация их в новые осадочные породы (рис. 6.7. стр. 162). Процесс происходит по спирали, т.е. новый цикл круговорота не повторяет в точности предыдущий, а вносит что-то новое, что со временем приводит к значительным изменениям.

К большому круговороту относится и круговорот воды между сушей и океаном, через атмосферу.

Малый (биохимический) круговорот веществ в природе, в отличие от большого, совершается лишь в пределах биосферы. Сущность его в образовании живого вещества из неорганических соединений в процессе фотосинтеза и в превращении органического вещества при разложении вновь в неорганические соединения.

Данный круговорот для жизни биосферы главный. Он является порождением жизни и поддерживается живым веществом.

Главным источником энергии круговорота является солнечный свет, который обеспечивает фотосинтез. Эта энергия неравномерно распределяется по поверхности земного шара. Например, на экваторе, количество тепла на единицу поверхности в 3 раза больше, чем на архипелаге Шпицберген (80⁰ с.ш.). В зависимости от типа переноса вещества и энергии в экосистемах выделяют 2 вида малого круговорота.

1. Биологический – перенос вещества и энергии осуществляется преимущественно посредством трофических связей (пищевых цепей) (рис. 5.1. стр. 119).

Он предполагает замкнутый цикл веществ, многократно используемых трофической цепью и имеет место в водных экосистемах, особенно в планктоне с его активным метаболизмом. Но в наземных экосистемах он невозможен, за исключением дождевых тропических лесов, где может быть обеспечена передача питательных веществ от растения к растению.

В масштабах биосферы такой круговорот невозможен. Здесь действует другой круговорот.

2. Биогеохимический – обмен микро- и макроэлементов и простых неорганических веществ (СО₂, Н₂О) с веществом атмосферы, гидросферы и литосферы.

Круговорот отдельных веществ В.И. Вернадский назвал биогеохимическими циклами. Суть цикла в том, что химические элементы, поглощенные организмом, впоследствии его покидают, уходят в абиотическую среду, затем, через какое-то время, снова попадают в живой организм и т.д. Такие элементы называются биофильными (биогенными). Данные элементы или их соединения необходимы для жизнедеятельности организмов, их роста, размножения.

Элементы, необходимые организмам в больших количествах носят название макробиогенные элементы. Это основные – С, N, O, H, и не основные – Ca, Mg, Na, Cl, K.

Остальные элементы называются микробиогенными. Это Fe, Co, I, F, CU, Br, Se, Si, B и др. Отсутствие или недостаток микробиогенных элементов ведет к заболеваниям организмов. Большинство элементов на Земле находятся в таком состоянии, что они не могут использоваться живыми организмами прямо, но в процессе круговорота происходит преобразование их в те формы, которые могут быть использованы живыми организмами. Соединения биогенных элементов, необходимых организму называются питательными веществами. Это:

• органические вещества (белки, жиры, углеводы, витамины);

• неорганические вещества (вода, минеральные соли, СО₂).

Наибольшее значение имеют круговороты воды, углерода, кислорода, водорода, азота, фосфора и серы.

Все биогеохимические круговороты подразделяют на 2 основных типа: круговорот газообразных веществ и осадочные циклы.

Круговорот газообразных веществ – заключается в перемещении питательных веществ из атмосферы и гидросферы в живые организмы и обратно; они быстротечны и длятся от нескольких часов до нескольких дней.

Осадочные циклы включают движение питательных веществ между земной корой (почва, горные породы), гидросферой и живыми организмами. Элементы в этих циклах перемещаются значительно медленнее, чем в газообразных циклах. ряде случаев период их обращения достигает нескольких тысяч лет; в осадочных циклах участвуют более 35 химических элементов (Р, Са, S, Fe и др.)

Круговоротом в целом обеспечиваются важнейшие функции живого вещества. В.И. Вернадский выделил 5 таких функций:

1. газовая – основные газы атмосферы земли, азот и кислород биогенного происхождения, как и все подземные газы – продукт разложения отмершей органики;

2. концентрационная – организмы накапливают в своих телах многие химические элементы, среди которых на первом месте стоит С – среди неметаллов, Са – среди металлов. Концентраторами Si являются диатомовые водоросли, I – морские водоросли (ламинария), Р – скелеты позвоночных животных;

3. окислительно-восстановительная – организмы, обитающие в водоемах, регулируют кислородный режим и создают условия для растворения или же осаждения ряда металлов (V, Mn, Fe) и неметаллов (S) с переменной валентностью;

4. биохимическая – размножение, рост, и перемещение в пространстве («расползание») живого вещества;

5. биогеохимическая деятельность человека – охватывает все разрастающееся количество веществ земной коры, в том числе таких концентраторов С, как уголь, нефть, газ, и др., для хозяйственных и бытовых нужд.

В биогеохимических круговоротах следует различать две части:

1. резервный фонд – огромная масса движущихся веществ, не связанных с организмами;

2. обменный фонд – значительно меньший, но весьма активный, обусловленный прямым обменом биогенным веществом между организмами и их непосредственным окружением.

Следует отметить лишь один-единственный на Земле процесс, который не тратит, а запасает, связывает солнечную энергию – это создание органического вещества в результате фотосинтеза. В связывании и запасании солнечной энергии и заключается основная планетарная функция живого вещества на земле.

Кругооборот воды.

Влага испарившись с поверхности океана конденсируется в атмосфере и в виде осадков выпадает на сушу или обратно в океан. При попадании на сушу она возвращается в океан в виде поверхностного и подземного стоков.

Его главная функция: формирование природных условий на нашей планете.

В круговороте воды на Земле ежегодно участвует более 5000 тыс. км³ воды. С учетом транспирации воды растениями и поглощения ее в биогеохимическом цикле, весь запас воды на Земле распадается и восстанавливается за 2 млн. лет

Кругооборот углерода.

В круговороте углерода, точнее, наиболее подвижной его формы – углекислого газа – четко прослеживается его перемещение по трофическим цепям: продуценты, улавливающие углерод в составе углекислого газа при фотосинтезе, консументы – поглощающие углерод в составе органических веществ, составляющих тела продуцентов и консументов более низших порядков, редуцентов – возвращающих углерод вновь в круговорот.

Скорость оборота углекислого газа – порядка 300 лет.

В мировом океане трофическая цепь: продуценты (фитопланктон) – консументы (зоопланктон, рыбы) – редуценты (микроорганизмы) – осложняется тем, что некоторая часть углерода мертвого организма, опускаясь на дно, «уходит» в осадочные породы и участвует уже не в биологическом, а в геологическом круговороте вещества.

Главным резервуаром биологически связанного углерода являются леса (содержат до 500 млрд т ), что составляет 2/3 его запаса в атмосфере. Вмешательство человека в круговорот углерода приводит к возрастанию содержания углекислого газа в атмосфере.