7.4. Стабильность биосферы

Уникальность нашей планеты состоит в том, что на ней есть жизнь. Основой поддержания жизни на Земле являются биогеохимические круговороты. Содержание в биосфере химических элементов, необходимых для поддержания жизнедеятельности организмов, небезгранично. Только система круговоротов могла придать им свойство бесконечности, необходимое для продолжения жизни. Все химические элементы, используемые в процессах жизнедеятельности организмов, совершают постоянные перемещения, переходя из тел организмов в соединения неживой природы и обратно. Возможность многократного использования одних и тех же атомов делает жизнь на Земле практически вечной при условии постоянного притока солнечной энергии.

В соответствии с объёмом рассматриваемых экосистем различают локальные биологические круговороты, биогеохимические циклы материков и океанов и общепланетарный биогеохимический круговорот.

Глобальный биогеохимический круговорот вещества на планете создаётся из локальных биологических круговоротов, осуществляемых в отдельных экосистемах, и тех циклических перемещений атомов, которые вызываются действием ландшафтных и геологических причин (ветровая эрозия, горообразование, вулканизм, движения морского дна и др.).

Биологические круговороты не полностью замкнуты. Часть химических элементов и их соединений постоянно выпадает из общей циркуляции и скапливается вне организмов, создавая запасы биогенных веществ. Те из них, которые оказываются малодоступными для живых организмов и поэтому медленно вовлекаются в биологический круговорот, составляют резервный фонд того или иного химического элемента в биосфере. Другая часть биогенных веществ, интенсивно циркулирующая между телами организмов и окружающей средой, называется обменным фондом. Соотношения между резервным и обменным фондами в биосфере у всех биогенных элементов различны.

Круговорот углерода. Содержащийся в атмосфере и гидросфере углерод в составе углекислого газа ассимилируется наземными и водными растениями в процессе фотосинтеза и включается в состав органических веществ (рис. 20).

Свет

Вулканическая деятельность

Фотосинтез – органическое вещество растений

Высвобождение СО₂ человеком

Органическое вещество

животных

Известняки, коралловые рифы и др.

Океан

Н₂СО₃

Органическое вещество почв

Захоронение

(«Уход в геологию»)

Рис. 20. Схема круговорота углерода

Высвобождение углерода из органических веществ происходит в процессе дыхания организмов и минерализации органических остатков редуцентами. Параллельно с процессами минерализации органического вещества в почве образуется гумус, который является одним из важных резервуаров углерода на суше. Часть органического вещества не разлагается и постепенно превращается в такие породы, как торф, бурый уголь, горючие сланцы, известняки, доломиты. Они пополняют резервный фонд углерода, надолго выключаясь из биологического круговорота.

Основной возврат углерода в обменный фонд происходит за счёт деятельности организмов, и лишь небольшая часть его выделяется из недр Земли в составе вулканических газов. В настоящее время мощным фактором перевода углерода из резервного в обменный фонд биосферы являются добыча и сжигание огромных запасов горючих ископаемых, что приводит к повышению концентрации углекислого газа в атмосфере.

Круговорот кислорода. Кислород освобождается из молекул воды в процессе фотосинтеза, осуществляемого наземными и водными растениями. В воде кислорода содержится в 21 раз меньше, чем в атмосфере. Выделившийся кислород расходуется на процессы дыхания всех аэробных организмов, на окисление органических остатков и минеральных соединений.

Обменный фонд кислорода в атмосфере составляет около 5% от общей продукции фотосинтеза. Накопление кислорода в атмосфере и гидросфере происходит в результате неполной замкнутости цикла углерода. На полное разложение органического вещества, создаваемого растениями, требуется такое же количество кислорода, которое выделилось при фотосинтезе. Захоронение части органического вещества в осадочных породах, торфе, углях послужило основой поддержания обменного фонда кислорода в атмосфере.

В настоящее время более 10 млрд т (10–16%) свободного кислорода из общего количества, выделенного в процессе фотосинтеза, расходуется при сжигании топлива, на окисление отходов, в результате работы транспорта, промышленных предприятий и т.д., что может нарушать его нормальный круговорот.

Круговорот азота. Молекулярный азот, содержащийся в атмосфере, недоступен растениям, так как они могут усваивать азот только в виде ионов аммония, нитратов из почвенных или водных растворов. Атмосферный азот способны усваивать только прокариотные организмы (бактерии, сине-зелёные водоросли, актиномицеты). Азотфиксирующие микроорганизмы превращают азот в доступную растениям форму, обогащая почву азотом. Аммонифицирующие микроорганизмы разлагают содержащие азот органические вещества до аммиака, который может вновь поглощаться корнями растений, а частично нитрифицирующими бактериями превращаться в нитриты и нитраты. Образовавшиеся нитраты вновь используются растениями. Возвращение азота в атмосферу происходит в процессе денитрификации, которая осуществляется бактериями. Таким образом, круговорот азота зависит преимущественно от деятельности бактерий (рис. 21).

Органический азот растений и животных (NН₂)

Мочевина СО₂(NН₂)

Аммиак (NН₃)

Ион аммония (NН₄⁺)

Нитрификация

Закись азота(N₂О)

Продукция растений и

животных

Нитриты (NО₂)

Свободный азот атмосферы

Нитрификация

Денитрификация

Нитраты (NО₃)

Азотфиксирующие микроорганизмы

Рис. 21. Схема круговорота азота

Растения встраиваются в него, используя промежуточные соединения этого цикла для образования органического вещества. Небиологическая фиксация азота и поступление в почву его соединений происходят также с дождевыми осадками и при ионизации атмосферы и грозовых разрядах.

Деятельность человека приводит к изменению цикла азота как целенаправленно (при использовании азота атмосферы для производства удобрений), так и непреднамеренно (в результате высоких температур, создаваемых промышленными установками). В целом такие процессы превышают деятельность азотфиксирующих прокариот и природных явлений. Неумеренное использование азотных удобрений приводит к накоплению избытка нитратов в водоёмах, в грунтовых водах, в конечном счёте – в питьевой воде и в продуктах питания, что является опасным для здоровья человека.

Круговорот серы. В биосфере основные запасы серы содержатся главным образом в виде пиритов и сульфатов.

Рис. 22. Схема круговорота серы.

Несмотря на наличие ряда газообразных соединений серы (H₂S, SO₂), преобладающая часть круговорота этого элемента имеет осадочную природу и происходит в почве и воде. Сера входит в состав аминокислот (метионина, цистеина, цистина) и при разложении микроорганизмами органических остатков освобождается в виде сульфатов. Растения усваивают из почвы и воды ионы SО₄^2-, поставляемые им деятельностью прокариотов. С речным стоком ионы сульфатов поступают в водные экосистемы, где в анаэробных условиях сульфатредуцирующими бактериями восстанавливаются до сероводорода. Серные бактерии, в свою очередь, окисляют сероводород до элементарной серы и сульфатов (рис. 22). Основное накопление серы происходит в почве и океане. Частично сера возвращается в атмосферу при выделении из вод сероводорода и окисляется здесь до двуокиси, превращаясь в дождевой воде в серную кислоту. Большие объёмы диоксида серы поступают в атмосферу в результате сжигания горючих ископаемых и промышленного использования сульфатов и элементарной серы. Это не только нарушает круговорот серы, но и служит источником кислотных дождей и наносит ощутимый вред живым организмам.

Круговорот фосфора. Фосфор в отличие от других биогенных элементов не образует газовой формы.

Фосфат-ионы (РО₄)

Фосфор в организмах

Потребление

растениями

Фосфаторедуцирующие бактерии

Минерализация органических веществ

Высвобождение человеком (удобрения), вынос животными

Фосфаты

Водные экосистемы

Тела организмов

Осадки («уход в геологию»)

Рис. 23. Схема круговорота фосфора

Основной резервный фонд фосфора содержится в горных породах и на дне океана. В ходе выщелачивания пород часть этих запасов переходит в почву и вымывается в водоёмы. В водных экосистемах фосфаты поглощаются фитопланктоном и передаются по цепям питания другим организмам. Большая часть соединений фосфора в океане захоранивается с остатками организмов на больших глубинах, переходя с осадочными породами в большой геологический круговорот. На глубине растворимые фосфаты взаимодействуют с кальцием, образуя фосфориты и апатиты. Наземные залежи фосфоритов и апатитов разрабатываются в качестве удобрений.

На суше растения усваивают из почвы фосфаты, освобождённые редуцентами из разлагающихся органических остатков в виде ионов ортофосфорной кислоты (рис. 23). Часть фосфора из океана на сушу поступает с морепродуктами, но это не компенсирует его потребности. Дефицит фосфора в значительной степени восполняется человеком через внесение минеральных удобрений.

Таким образом, стабильность биосферы основывается на взаимосвязи биогенных процессов, на согласованности циклов отдельных элементов, главным двигателем которых являются все живые организмы, обеспечивая процессы синтеза, трансформации и разложения органического вещества.