2.1.2. Биогеохимический круговорот веществ на Земле

Выделяют два основных круговорота веществ в природе:

1. геологический (большой);

2. биогеохимический (малый).

Геологический круговорот обусловлен взаимодействием солнечной энергии с глубинной энергией Земли и осуществляется перераспределением вещества между биосферой и более глубокими горизонтами Земли. Схематично замкнутую цепочку этого круговорота можно описать так: магматические породы → осадочные породы → метаморфические породы → магма → магматические породы. К большому круговороту можно отнести и глобальный круговорот воды между сушей и океаном через атмосферу.

Биогеохимический круговорот, в отличие от большого, совершается лишь в пределах биосферы. Основу этого круговорота составляет: 1) образование живого вещества из неорганических соединений в процессе синтеза и 2) превращение органического вещества в неорганическое в процессе разложения. Основным источником энергии в этом круговороте является Солнце.

Круговорот отдельных веществ называют биогеохимическими циклами, в процессе которых определенные химические элементы, поглощенные организмом, покидают его, уходя в абиотическую среду, и затем, через какое-то время, снова попадают в организм. Такие элементы называют биофильными.

Наиболее важными и хорошо изученными являются биогеохимические циклы биогенных веществ, из которых синтезируются белковые и другие органические макромолекулы. К таким веществам относятся углерод, кислород, азот, фосфор, сера. Организмы в основном состоят из вышеперечисленных элементов, однако они не смогут жить, если не будут содержать в достаточных количествах некоторые катионы: калий, кальций, магний и натрий, которые относятся к группе макроэлементов, потому что их содержание выражается в сотых долях сухого вещества. Некоторые вещества нужны организмам в очень маленьких количествах, к ним, например, относятся железо, бор, цинк, медь, марганец, молибден и анион хлора. Микроэлементы выражаются в миллионных долях сухого вещества. В пищевую цепь они поступают в основном через круговорот воды. Они обладают высокой биологической активностью и участвуют во всех процессах жизнедеятельности: белковом, жировом, углеводном, витаминном, минеральном обмене, газо- и теплообмене, тканевой проницаемости, клеточном делении, образовании костного скелета, кроветворении, росте, размножении, иммунобиологических реакциях.

Второстепенные для живых организмов химические элементы, так же как и жизненно важные, мигрируют между организмами и средой. В естественных экологических системах они содержатся в таких концентрациях и формах, что не оказывают отрицательного влияния на организмы. В настоящее время стала весьма острой проблема токсичных веществ в связи с региональными и глобальным техногенным загрязнением биосферы. К таким веществам можно отнести ртуть, кадмий, стронций, цезий и др.

Живое вещество, являясь непосредственным участником круговоротов, выполняет следующие биогеохимические функции:

– газовые (миграция газов и их превращения) – основные газы атмосферы, азот и кислород, являются газами биогенного происхождения;

– концентрационные (аккумуляция живыми организмами химических элементов из внешней среды) – яркий пример – аккумуляция углерода;

– окислительно-восстановительные (химические превращения веществ, содержащих атомы с переменной валентностью, – соединений железа, марганца, микроэлементов и т.д.);

– биохимические и биогеохимические функции, связанные с деятельностью человека (техногенез, форма созидания и превращения вещества в биосфере, стимулирующая переход биосферы в новое состояние – ноосферу).

Совокупность этих функций определяет все химические превращения в биосфере. Эволюция биосферы диалектически связана с эволюцией форм живого вещества (организмы и их сообщества), усложнением его биохимических функций, совершающихся на фоне геологической истории Земли.

Всю массу химических элементов, участвующих в биогеохимических круговоротах, можно разделить на две части: 1) резервный фонд – основная масса движущихся веществ, не связанная в данный момент с организмами, но потенциально она может включиться в непосредственную связь с живым веществом; 2) обменный фонд – значительно меньшая, но более активная масса, непосредственно участвующая в прямом обмене биогенным веществом между организмами.

Необходимо подчеркнуть, что жизнь является единственным на Земле процессом, который не тратит, а, наоборот, аккумулирует солнечную энергию в результате фотосинтеза. В связывании и запасании солнечной энергии заключается основная планетарная функция живого вещества на Земле.

На основе учения Вернадского в настоящее время биосферу определяют как активную оболочку Земли, в которой совокупная деятельность живых организмов проявляется как геохимический фактор планетарного масштаба. Такое определение биосферы отражает важный тезис: наша планета Земля такая, какая она есть сегодня, только потому, что на ней существует жизнь.