4. Биогеохимические круговороты. Емкость и скорость круговоротов. Глобальные круговороты воды и основных биогенных элементов: азота, фосфора и углерода.

Большинство элементов на Земле находятся в таком состоянии, что не могут быть напрямую использованы живыми организмами. К счастью, эле­менты и их соединения пребывают в по­стоянном круговороте и способны преобразовываться в необ­ходимые для поглощения формы в ре­зультате целого комплекса биологиче­ских, геологических и химических процессов.

Такой переход питательных веществ - эле­ментов от неживой природы (из запасов атмосферы, гидросферы и земной коры) к живым организмам и обрат­но в неживую среду происходит в би­огеохимических круговоротах («био» означает жизнь, «гео» — земля, а слово «химический» подразумевает пе­реход материи из одной формы в другую).

Эти круговороты обуслов­лены прямым или косвенным воздей­ствием солнечной энергии и вклю­чают круговороты углерода, кислоро­да, азота, фосфора, серы и воды.

К примеру, одну из молекул кислорода, которую Вы только что вдохнули, могли перед этим вдохнуть Вы или Ваша бабушка, фараон Тутанхамон тысячи или динозавр миллионы лет назад. Аналогично атомы углерода, входящие в состав кожи Вашей пра­вой руки, могли когда-то быть частью листа дерева, шкуры динозавра или глыбы известняка.

Существуют два основных типа биогеохимических круговоротов: кру­говороты газообразных веществ и осадочные циклы.

Круговороты газо­образных веществ заключаются в пе­ремещении питательных элементов от атмосферы и гидросферы к живым организмам и обратно. Как правило, циклы этих круговоротов быстро­течны и длятся всего несколько дней или даже часов. Основными газооб­разными циклами являются круговороты углерода, кислорода, водорода и азота.

Осадочные циклы включают дви­жение питательных элементов между земной корой (почвами и горными породами), гидросферой (водой) и живыми организмами. Скорость перемещения элементов в этих циклах намного медленнее, чем в газообраз­ных круговоротах, так как составля­ющие элементы горных пород могут находиться в них в течение тысяч и миллионов лет. Существует более 36 питательных элементов, участвующих в осадочных циклах. Главными из них являются круговороты фосфора и серы.

Емкость биологического круговорота – количество химических элементов, находящихся в составе массы зрелого биоценоза (фитоценоза).

Скорость биологического круговорота – промежуток времени, в течение которого элемент проходит путь от поглощения его живым веществом до выхода из состава живого вещества.

Круговорот воды между сушей и океаном через атмосферу относится к большому геологическому круговороту.

Круговорот углерода.

Основные запасы углерода на Земле находятся в виде содержащегося в атмосфере и растворенного в Мировом океане диоксида углерода, то есть углекислого газа (CO2). Рассмотрим сначала молекулы углекислого газа, находящиеся в атмосфере. Растения поглощают эти молекулы, затем в процессе фотосинтеза атом углерода превращается в разнообразные органические соединения и таким образом включается в структуру растений. Далее возможно несколько вариантов:

• углерод может оставаться в растениях, пока растения не погибнут. Тогда их молекулы пойдут в пищу редуцентам (организмам, которые питаются мертвым органическим веществом и при этом разрушают его до простых неорганических соединений), таким как грибы и термиты. В конце концов углерод вернется в атмосферу в качестве CO2;

• растения могут быть съедены травоядными животными. В этом случае углерод либо вернется в атмосферу (в процессе дыхания животных и при их разложении после смерти), либо травоядные животные будут съедены плотоядными (и тогда углерод опять же вернется в атмосферу теми же путями);

• растения могут погибнуть и оказаться под землей. Тогда в конечном итоге они превратятся в ископаемое топливо — например, в уголь.

В случае же растворения исходной молекулы CO2 в морской воде также возможно несколько вариантов:

• углекислый газ может просто вернуться в атмосферу (этот вид взаимного газообмена между Мировым океаном и атмосферой происходит постоянно);

• углерод может войти в ткани морских растений или животных. Тогда он будет постепенно накапливаться в виде отложений на дне Мирового океана и в конце концов превратится в известняк (см.Цикл преобразования горной породы) или из отложений вновь перейдет в морскую воду.

Круговорот азота. 

Большая часть элемента пребывает в свободной форме, при котором два атома образуют молекулу N2. Из-за достаточно прочной связи между атомами в молекуле использовать такое соединение напрямую не представляется возможным.

Чтобы живые организмы могли полноценно усваивать этот химический элемент, его нужно перевести в «связанное» состояние. В таком состоянии азот представляет собой заряженный нитрат-ион NO3-, в таком виде он может усваиваться растениями.

В природе основным поставщиком этого связанного элемента выступают различные микроорганизмы. Именно благодаря микроскопическим труженикам от 90 до 140 млн. тонн иона азота переходит в нужное для биосферы состояние.

Круговорот N2 в природе берет свое начало в деятельности различных микроорганизмов, которые извлекают азот из разлагающихся отходов. Одна часть элемента преобразуется в молекулы, необходимые для существования этих микроорганизмов. Другая часть высвобождается в виде ионов аммония и молекул аммиака. Различные разновидности бактерий переводят азот из этих веществ в форму нитратов. Азотистые соединения в виде удобрения усваиваются растениями, а через них и животными. После смерти организма микроэлемент возвращается в почву, чтобы заново совершить круговорот азота в природе.

Круговорот фосфора. Основная масса фосфора содержится в горных породах, образовавшихся в прошлые геологические эпохи. В биогеохимический круговорот фосфор включается в результате процессов выветривания горных пород. В наземных экосистемах растения извлекают фосфор в виде растворимых фосфатов из почвы (в основном в форме РО43–) и включают его в состав органических соединений (белков, нуклеиновых кислот, фосфолипидов и др.) или оставляют в неорганической форме. Далее фосфор передается по цепям питания. После отмирания живых организмов и с их выделениями фосфор возвращается в почву.