4.1. Круговорот веществ в природе

Основных круговоротов веществ в природе два: большой (геологический) и малый (биогеохимический).

Большой круговорот веществ в природе (геологический) 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 деления. Там они переплавляются и образуют магму — источник новых магматических пород.

После поднятия этих пород на земную поверхность и действия процессов выветривания вновь происходит трансформация их в новые осадочные породы (рис. 14). Символом круговорота веществ является спираль, а не круг. Это означает, что новый цикл круговорота не повторяет в точности старый, а вносит что-то но­вое, что со временем приводит к весьма значительным из­менениям.

Энергия радиоактивного

распада

Рис. 14. Большой круговорот веществ

Большой круговорот — это и круговорот воды между су­шей и океаном через атмосферу. Влага, испарившаяся с по­верхности Мирового океана (на что затрачивается почти поло­вина поступающей к поверхности Земли солнечной энергии), переносится на сушу, где выпадает в виде осадков, которые вновь возвращаются в океан в виде поверхностного и подзем­ного стока. Круговорот воды происходит и по более простой схеме: испарение влаги с поверхности океана — конденсация водяного пара — выпадение осадков на эту же водную поверх­ность океана.

Подсчитано, что в круговороте воды на Земле ежегодно участвует более 500 тыс. км³ воды.

Круговорот воды в целом играет основную роль в форми­ровании природных условий на нашей планете. С учетом транспирации воды растениями и поглощения ее в биогеохимиче­ском цикле, весь запас воды на Земле распадается и восста­навливается за 2 млн. лет.

Малый круговорот веществ в биосфере (биогеохими­ческий), 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.

Этот круговорот для жизни биосферы — главный, и он сам является порождением жизни. Изменяясь, рождаясь и умирая, живое вещество поддерживает жизнь на нашей пла­нете, обеспечивая биогеохимический круговорот веществ.

Главным источником энергии круговорота является сол­нечная радиация, которая порождает фотосинтез. Эта энер­гия довольно неравномерно распределяется по поверхности земного шара. Например, на экваторе количество тепла, при­ходящегося на единицу площади, в три раза больше, чем на архипелаге Шпицберген (80° с. ш). Кроме того, она теряется путем отражения, поглощается почвой, расходуется на транспирацию воды и т. д. (рис. 15). Всего 2—3% идет на фотосинтез.

В ряде экосистем перенос вещества и энергии происходит преимущественно посредством трофических цепей.

Такой круговорот обычно называют биологическим. Он предполагает замкнутый цикл веществ, многократно используемый трофической цепью. Безусловно он может иметь место в водных экосистемах, особенно в планктоне с его интенсивным метаболизмом, но не в наземных экосистемах, за исключением дождевых тропических, где может быть обеспечена передача питательных веществ «от растения к растению», корни которых расположены на поверхности почвы.

Однако в масштабах всей биосферы такой круговорот невозможен. Здесь действует биогеохимический круговорот, представляющий собой обмен макро- и микроэлементами простых неорганических веществ (СО, Н,0) с веществами атмосферы, гидросферы и литосферы. Круговорот отдельных веществ В. И. Вернадский назвал биогеохимическими циклами. Суть цикла в следующем: химические элементы, поглощенные организмом, впоследствии его покидают, в абиотическую среду, затем, через какое-то время, опадают в живой организм и т. д. Такие элемент называют биофильными. Этими циклами и круговоротом обеспечиваются важнейшие функции живого вещества в биосфере. В.И. Вернадский выделяет пять таких функций.

Рис. 15. Поступление и распределение солнечной энергии в пределах биосферы Земли.