Биогеохимические принципы в. И. Вернадского. Круговорот веществ в природе
В. И. Вернадский открыл фундаментальные законы, управляющие геохимической деятельностью живых организмов в биосфере. Они заключаются в следующем:
1) биогенная миграция атомов химических элементов в биосфере всегда стремится к максимальному своему проявлению;
2) эволюция видов в ходе геологического времени, приводящая к созданию устойчивых в биосфере форм жизни, идет в направлении, увеличивающем биогенную миграцию атомов биосферы.
Миграция химических элементов и соединений в биосфере осуществляется в форме циклов, или круговоротов веществ. При этом круговорот веществ сопровождается круговоротом энергии. Благодаря круговороту веществ достигается динамическое равновесие и устойчивость биосферы в целом и отдельных ее частей.
В едином круговороте выделяют большой геологический круговорот, происходящий в результате действия абиотических факторов, и малый биотический круговорот веществ в твердой, жидкой и газообразной фазах, происходящий при участии живых организмов.
Большой круговорот представляет собой подъем вещества в результате восходящих тектонических движений и вулканизма, переносе его по горизонтали во внешних оболочках Земли и аккумуляции. Этот восходящий поток вещества сопровождается нисходящим потоком, в результате которого происходит захоронение осадков и погружение в результате нисходящих тектонических движений. На глубине происходит метаморфизм, плавление вещества с образованием магмы и метаморфических горных пород.
Большой геологический круговорот происходит в течение сотен тысяч или миллионов лет. В процессе большого круговорота вещества лишь частично возвращаются на сушу с организмами, извлеченными из воды человеком или другими животными. Установлено, что в Мировой океан ежегодно выносится 12 км3 минерального вещества, в результате чего с поверхности континентов в среднем снимается слой толщиной около 0,08 мм. При таких темпах разрушения все континенты были бы уничтожены за 10–11 млн. лет. Однако это не происходит, так как в противовес процессу разрушения материков действует процесс подъема вещества из глубин земной мантии. Крупные медленные геотектонические изменения, процессы опускания материков и поднятия морского дна, перемещение морей и океанов приводят к тому, что морские отложения возвращаются на сушу и процесс начинается вновь.
Малый, или биотический, круговорот, происходящий при обязательном участии живого вещества, является частью большого. Он развивается на основе большого и представляет собой непрерывный, циклический, но неравномерный процесс в пространстве и времени. Скорость протекания малого круговорота значительно выше, чем большого. В единый биотический круговорот вовлечено все живое вещество планеты. Если рассматривать этот круговорот как единую замкнутую цепь, то все растения, животные, микроорганизмы составляют отдельные звенья этой цепи. Связь отдельных звеньев выражается в том, что вещество и энергия, приобретенные каждым предшествующим звеном, далее потребляются и перерабатываются в последующем звене. Это происходит до тех пор, пока остатки вещества не возвращаются к исходному звену.
Процесс биотического круговорота, в принципе, осуществляется по следующей схеме.
Растения осуществляют фотосинтез, т.е. процесс образования органического вещества с использованием в качестве исходных компонентов воды и углекислого газа и с выделением кислорода.
Часть химической энергии, аккумулированной зелеными растениями, далее усваивается фитофагами, а затем зоофагами, питающимися фитофагами. Остатки мертвого органического вещества, образующегося после смерти живых организмов или в процессе их жизнедеятельности (отмершие организмы растительного и животного происхождения, продукты обмена веществ), разрушаются деструкторами (прежде всего, микроорганизмами), с определенной скоростью поступают в почву, воду, воздух и вновь включаются в биотический круговорот. При этом часть вещества исключается из биотического круговорота и с помощью геохимических процессов закрепляется в осадочных отложениях или переносится в океан.
Большой круговорот веществ и малый круговорот веществ взаимно связаны и представляют собой единый процесс. Подсчитано, что весь кислород, содержащийся в атмосфере, совершает круговорот через организмы (связывается при дыхании и высвобождается при фотосинтезе) за 2000 лет, углекислота атмосферы совершает круговорот в обратном направлении за 300 лет, а все воды на Земле разлагаются и воссоздаются путем фотосинтеза и дыхания за 2 000 000 лет.
Ниже рассмотрены процессы круговорота основных соединений и элементов на планете.