5.7. Круговорот веществ в биосфере

Земля находится в непрерывном движении: в Мировом океане течения перемешивают слои воды, которая испаряется с водной глади; в атмосфере ветры переносят облака, из которых идет дождь и снег; поверхностные воды стекаются в рукава рек, которые впадают в океан. Вместе с водой к процессу «подключаются» различные химические элементы и соедине­ния. И это происходит несчетное число раз. Неизменно по­вторяющийся цикл процесса перемещения и превращения вещества в биосфере называется круговоротом веществ в биосфере.

В случае отсутствия круговоротов веществ, живые организмы давно исчерпали бы все ресурсы планеты, поскольку запасы лю­бого элемента конечны. В действительности же круговорот эле­ментов обратим не полностью, часть веществ из него изымается: из атмосферы теряется некоторая доля легких элементов, часть органических соединений фоссилизируется (захоранивается) в педосфере, литосфере в виде гумуса, торфа, илов и осадочных по­род, минеральных солей, выносимых реками в океан и осаж­дающихся в донных отложениях.

Различают большой (геологический) и малый (биогеохимиче­ский) круговорот. Движущей силой круговоротов являются энергия Солнца и внутреннее тепло Земли.

Большой геологический круговорот веществ. Данный круговорот веществ продолжается миллионы лет и заключается в том, что под действием водных и воздушных агентов магматические горные породы подвергаются выветриванию, а продукты их разрушения выносятся в Мировой океан и другие водоемы, образуя осадочные горные породы. Под действием тектонических движений, высоких давлений и температур, осадочные и магматические породы преобразуются в метаморфические. Например, глины превращаются в глинистые сланцы, пески в кварциты и т.д. В результате новых крупных геотектонических движений, процессов опускания материков и поднятия морского дна, эти породы вновь оказываются в зоне интенсив­ного выветривания, т.е. круг замыкается.

Малый биогеохимический круговорот. Этот круговорот веществ обусловлен двумя взаимосвязанными и противополож­ными процессами: образованием и разложением живого вещества. С одной стороны, происходит молекулярный, клеточный, тканевый обмен внутри самого живого организма, а с другой – круговорот веществ связывает организм и его среду обитания в единое целое.

И каждый маленький цикл круговорота включен в более крупный круговорот. Символом данного круговорота служит не круг, а циклоида – линия, описываемая точкой, находящейся па ободе движущегося колеса, т.е. для круговорота характерно поступательное развитие по спирали. Основной особенностью биогеохимического круговорота является то, что в нем, в отли­чие от большого геологического круговорота, участвуют не все природные элементы, а только биогенные, необходимые для жизнедеятельности организмов. Именно круговоротом веществ обеспечивается непрерывность процессов в биосфере, и многие жизненно–важные элементы, несмотря на их ограниченность в литосфере, участвуют в жизнедеятельности организмов. Так, при отсутствии круговорота, например, за короткое время был бы исчерпан основной «кирпичик» живого вещества – углерод, благодаря которому создается огромное количество органиче­ских соединений.

В.И. Вернадский сформулировал следующие биогеохимиче­ские принципы:

1) биогенная миграция химических элементов в биосфере стремится к максимальному своему проявлению. Вовлекая не­органическое вещество в биологический круговорот, в «вихрь жизни», живые организмы способны проникать в ранее недоступные ей области планеты и увеличивать свою геологическую активность. По мере эволюции биосферы, происходит увеличение разнообразия живых организмов и появление новых, более сложных форм;

2) эволюция видов, приводящая к созданию форм, устойчивых в биосфере, должна идти в направлении, увеличивающем проявление биогенной миграции атомов в биосфере. Все живое вещество обладает свойством пластичности, и изменчивости во времени. Так, начавшийся процесс появления свободного кисло­рода изменил весь облик планеты. Во время появления морских беспозвоночных, имеющих кальциевый скелет, произошло усиление миграции кальция. Выход растений на сушу в каменноугольную эру активизировал круговорот углерода. И до сих пор в земной коре мы видим свидетельства усиления миграционной способности различных элементов;

3) все живое вещество находится в бесконечном непрерывном обмене с окружающей его средой, создающейся и поддерживающейся космической энергией Солнца. Химические элементы в биосфере постоянно перемещаются как в пределах отдельных сфер (литосферы, гидросферы, атмосферы, педосферы), так и между ними. Темпы миграции химических элементов неодинаковы: очевидно, что наиболее активная миграция происходит в атмосфере и в гидросфере.

Таким образом, живое вещество активно регулирует геохимическую миграцию атомов. И именно благодаря этому в течение миллиардов лет происходит эволюция живых организмов планеты и биосферы в целом, сохраняются стабильность и динамическое равновесие биосферы. Повторяющиеся перемещения и пре­вращения химических элементов в биосфере при активном участии живого вещества называют биогеохимическими циклами элементов. Под этими циклами понимается круговорот химических веществ из неорганической природы (через растительные и животные организмы) обратно в неорганическую.

Круговорот совершается с использованием солнечной энергии и энергии химических реакций. В биосфере круговорот элемента будет быстрым и устойчивым только в том случае, если этот элемент не только растворим, но и летуч, благодаря чему одно из его соединений может возвращаться на сушу через атмосферу.

К главным биогеохимическим циклам относят циклы углерода, азота, кислорода, серы и фосфора. Среди летучих соеди­нений всем известны двуокись углерода (СО₂), метан (СН₄), свободный азот (N₂), аммиак (NH₄), сероводород (H₂S) и двуокись серы (S0₂).