2.1.3. Свойства биосферы

Биосфера является уникальной, единой термодинамической системой, осуществляющей улавливание, накопление и перенос энергии путем обмена веществ между живым вещество и окружающей средой. Биосфера обладает рядом специфических свойств:

1. Биосфера является открытой системой, т.е. она не может существовать без постоянного притока энергии из вне. Основным источником энергии на Земле является энергия Солнца, которая фиксируется зелеными растениями в процессе фотосинтеза в виде энергии химических связей органического вещества (глюкозы).

2. Целостность и дискретность. Целостность биосферы обусловлена тесной взаимосвязью всех слагающих ее компонентов, при этом изменение одного компонента приводит к изменению других компонентов и биосферы в целом. При этом биосфера – не механическая сумма компонентов, в качественно новое образование, обладающее своими особенностями и развивающееся как единое целое, в ней действуют как прямые, так и обратные связи.

3. Централизованность. Центральным звеном биосферы являются живые организмы (живое вещество). К сожалению, человек это часто недооценивает.

4. Устойчивость и саморегуляция. Биосфера способна возвращаться в исходное состояние, гасить возникающие изменения, создаваемые внешними и внутренними воздействиями путем включения определенных механизмов. Такие механизмы называются гомеостатическими. Они подчиняются принципу Ле Шателье-Брауна: при действии на систему сил, выводящих ее их состояния устойчивого равновесия, оно смещается в том направлении, при котором эффект этого воздействия ослабляется.

5. Ритмичность. Биосфера проявляет ритмичность (повторяемость во времени) развития тех или иных явлений. В природе существуют ритмы разной продолжительности. Основные ритмы – суточные, годовые, внутривековые и сверхвековые.

6. Горизонтальная зональность и высотная поясность. В биосфере четко выделяются дискретные природные зоны (тундра, лес, степь, джунгли и т.д.), различающиеся по типу растительности (горизонтальная зональность). Смена растительности происходит и с увеличением высоты (высотная поясность)

7. Большое разнообразие. Биосфера характеризуется большим биоразнообразием (существует от 2 до 6 млн описанных видов живых организмов и примерно столько же неописанных). Биоразнообразие лежит в основе устойчивости биосферы.

8. Наличие механизмов, обеспечивающих протекание круговоротов веществ

2.1.4. Круговороты веществ.

Круговорот веществ – многократное участие веществ в процессах, протекающих в атмосфере, гидросфере и литосфере, в том числе в тех слоях, которые входят в состав биосферы земли. В зависимости от движущей силы выделяют геологические (геологические процессы), биогеохимические (деятельность живых организмов) и антропогенные (деятельность человека) круговороты. Геологический и биогеохимический круговороты в значительной степени замкнуты, а антропогенный – практически не замкнут, что приводит к истощению природных ресурсов и загрязнению природной среды.

Наибольшее значение в биосфере имеют биогеохимические круговороты, сильно влияющие на состояние и состав среды обитания микроорганизмов. Обычно в них выделяют две группы веществ:

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

2. обменный фонд – значительно меньшая часть вещества, которая связана прямым обменов между организмами и их непосредственным окружением.

В зависимость от расположения резервного фонда биогеохимические круговороты делят на два типа:

1. Круговороты газового типа с резервным фондом веществ в атмосфере и биосфере (круговороты углерода, азота, кислорода)

2. Круговороты осадочного типа с резервным фондом веществ в земной коре (фосфора, железа, кальция и т.д.)

Подавляющее большинство биогеохимических процессов расходуют солнечную энергию и лишь один процесс ее связывает в органические вещества – фотосинтез. Именно на нем основаны круговороты самых важных биогенных элементов, кислорода и углерода.

Подробнее рассмотрим основные биогеохимические круговороты: круговорот воды, кислорода, углерода, азота и фосфора.

Круговорот воды. Упрощенная схема круговорота воды показана на рисунке 2.2. С появлением жизни на Земле круговорот воды стал относительно сложным, так как к простому явлению физического испарения добавился более сложный процесс биологического испарения (транспирация), связанный с жизнедеятельностью растений и животных.

Кратко круговорот воды в природе можно описать следующим образом. Вода поступает на поверхность Земли в виде осадков, образующихся из водяного пара, попадающего в атмосферу в результате физического испарения и испарения воды растениями. Одна часть этой воды вновь испаряется прямо с поверхности водных объектов или косвенно, при посредстве растений и животных, а другая питает подземные воды.

Рисунок 2.2. Круговорот воды.

Характер испарения зависит от многих факторов. Так, с единицы площади в лесной местности испаряется значительно больше воды, чем с поверхности водного объекта. С уменьшением растительного покрова уменьшается и транспирация, а, следовательно, и количество осадков.

Загрязнение водных объектов и в первую очередь морей и океанов нефтепродуктами резко ухудшает процесс физического испарения, а уменьшение площади лесов - транспирацию. Это сильно сказывается на характере круговорота воды в природе.

Круговорот кислорода, который является сильнейшим окислителем, имел самое важное значение для становления биосферы. Он в значительной степени определяет и протекание других биогеохимических круговоротов.

В более или менее значительных количествах кислород начал накапливаться в атмосфере после распространения фотосинтезирующих организмов - примерно 2 млрд. лет тому назад. По мере возрастания количества кислорода в атмосфере он начал частично трансформироваться под действием ультрафиолетового излучения в озон, из которого впоследствии сформировался защитный озоновый слой. В последние 20 миллионов лет содержание кислорода в атмосфере стабилизировалось. В атмосфере кислород содержится в виде O₂, СО₂, О₃, в воде - в растворенном виде как газ и в соединении с водородом - Н₂O, в литосфере - в форме различных оксидов (Fе₂O₃, Na₂O, SiO₂, К₂O и т.д.) и солей (СаСОз и др.).

Схема круговорота кислорода приведена на рисунке 2.3. Кратко его можно описать следующим образом: образование свободного кислорода происходит главным образом в результате фотосинтеза растений, а потребление - в ходе дыхания, реакции окисления (в том числе сжигания топлива) и других химических преобразований.

Рисунок 2.3. Круговорот кислорода

Стоит обратить внимание на количественные показатели. Общее количество свободного кислорода в настоящее время оценивается приблизительно в 1,210¹⁵ т. Сейчас свободный кислород образуется со скоростью примерно 1,5510⁹ т/год, а расходуется со скоростью около 2,1610¹⁰т/год. Таким образом, расход кислорода больше его поступления в атмосферу. Зеленые растения освобождают в год около 1/2500 содержания кислорода в атмосфере, поэтому время его круговорота в атмосфере составляет примерно 2500 лет. Пока усиление техногенного потребления кислорода, а также вырубка лесов не привели к заметному снижению содержания свободного кислорода в атмосфере, но наметившаяся тенденция этого процесса в перспективе опасна.

Круговорот углерода. Фонды углерода в биосфере обширны. Основная его масса аккумулирована в карбонатных отложениях дна океана (1,310¹⁶ т), каменном угле и нефти (0,3410¹⁶ т). Аккумулированный углерод принимают участие в медленном геологическом круговороте Земли. Влияние этого круговорота на краткосрочное функционирование экосистемы незначительно.

Жизнь на Земле и газовый баланс атмосферы поддерживаются относительно небольшим количеством углерода, содержащимся атмосфере и участвующим в малом (биогеохимическом) круговороте. Биологический круговорот углерода проще круговорота кислорода, так как в нем участвуют только органические соединения и диоксид углерода. Его схема показана на рисунке 2.4.

Весь ассимилированный в процессе фотосинтеза углерод включается в углеводы, а в процессе дыхания весь углерод, содержащийся в органических соединениях, прекращается в диоксид углерода.

Рисунок 2.4. Круговорот углерода

Если принять за 100 % углерод, ассимилированный растениями в ходе фотосинтеза, то примерно 30 % возвращается в фонд атмосферного углекислого газа в результате дыхания растений, а остальные 70 % обеспечивают дыхание и продукцию животных, бактерий и грибов в пищевых цепях. В наземных экосистемах в круговорот вовлекается ежегодно 12 % содержащегося в атмосфере углекислого газа. Поэтому углерод сравнительно быстро циркулирует между атмосферой, гидросферой и живыми организмами. Время переноса атмосферного углерода составляет приблизительно восемь лет. Поэтому круговорот кислорода значительно больше подвержен влиянию внешних воздействий, чем круговорот кислорода. С середины XIX в. ускорился процесс перехода углекислого газа в атмосферу за счет сжигания топлива. Его содержание к атмосфере увеличилось на 22 % и продолжает расти, т.е. нарушается сложившееся в природе энергетическое равновесие. В результате накопления CO₂ в атмосфере возникает так называемый «парниковый эффект», который подробнее будет рассмотрен в разделе 2.4.

Круговорот азота. Азот - один из главных биогенных элементов, он входит в состав важнейших биологических молекул: белков и нуклеиновых кислот. Основным резервуаром газообразного азота служит атмосфера (напомним, что из него состоит 78 % объема приземного слоя воздуха).

В отличие от круговорот кислорода и углерода, круговорот азота достаточно сложен и обладает рядом особенностей:

1. усваивать азот из воздуха могут только отдельные виды азотфиксирующих организмов - сине-зеленые водоросли и симбиотические бактерии бобовых растений.

2. азот не принимает непосредственного участия (как углерод), в высвобождении энергии при дыхании, он только входит в состав белков и нуклеиновых кислот.

3. разложение азотсодержащих веществ с выделением газообразного азота осуществляется, в несколько стадий с помощью ряда специализированных микроорганизмов. Поэтому разложение происходит в почве, где растворяются его неорганические соединения.

Содержание азота в тканях живых организмов около 3%. В окружающую среду органический азот попадает в виде аминогруппы NH₂ или мочевины СО(NH₂)₂.

В процессе денитрификации (освобождения) азот переводится в газообразное состояние и частично фиксируется клубеньковыми растениями, а остальная часть попадает в виде свободного азота в атмосферу.

В естественных условиях процессы связывания и освобождения азота уравновешивают друг друга, однако искусственное внесение азота с удобрениями может приводить к избыточному накоплению азота в некоторых почвах и водоемах.

Круговорот фосфора мы рассмотрим в качестве примера круговорота осадочного типа. Минеральный фосфор - редкий элемент в биосфере, его содержание в земной коре не превышает 1%. Основным источником фосфора служат осадочные породы. Живым организмам фосфор необходим для синтеза нуклеиновых кислот, ДНК и РНК.

Фосфор поступает в растения в растворенном виде, в форме фосфат-ионов, PO₄^3-, растворимые только в узком диапазоне кислотности - в слабокислой среде, во всех остальных случаях фосфор переходит в нерастворимую форму. Растворенный неорганический фосфор поглощается растениями и переводится в состав живого вещества растений и потребляющих растения животных. Затем органические фосфаты вместе с трупами, отходами и экскрементами животных возвращаются в землю, подвергаются переработке микроорганизмами и снова включаются в круговорот.

С текучими водами фосфор поступает в водоемы. Если на суше круговорот его происходит в сравнительно благоприятных условиях, то в водоемах дело обстоит сложнее. Отмершие организмы накапливаются в донных отложениях. Разложение органики вблизи дна замедленно вследствие недостаточного притока кислорода. Минерализованный фосфор образует нерастворимые соединения и прочно удерживается в осадке. Происходит обеднение фосфором верхних слоев воды. Это ограничивает развитие водной растительности.

Возврат фосфора из донных отложений происходит в основном только при сезонном перемещении вод. Фосфаты возвращаются в верхние слои воды с пузырьками метана, сероводорода и при перемешивании вод. Анаэробный возврат фосфора в жаркое время нередко бывает причиной массового "цветения" водоемов.

Ежегодный вынос фосфора в водные объекты оценивается в 1,410⁷ т. Скорость его обратного переноса на сушу птицами и продуктами рыбного промысла значительно меньше - около 10⁵ т/год. Искусственное внесение удобрений оценивается в 710⁷ т/год, причем заметная доля их смывается с полей в водоемы.

Поскольку на Земле запасы фосфора малы и круговорот его недостаточно совершенен, любые воздействия человека на его биогеохимический круговорот могут привести к серьезным последствиям.