1679

обусловлено большей подвижностью воздушных масс и большей скоростью обмена веществ в атмосфере.

2. Осадочные циклы с резервным фондом в литосфере (в основном в

иперейти в более глубокие отложения, недоступные живым организмам.

Вотличие от резервного обменный фонд представляет собой сравнительно небольшое количество вещества, для которого характерен быстрый обмен между живыми организмами и окружающей средой. В обменном фонде находятся в основном биогенные элементы, входящие в состав живых организмов.

Круговороты веществ, находящихся в обменном фонде, обеспечиваются живыми организмами, или живым веществом, по определению В.И. Вернадского. Он выделил пять функций живого вещества, обеспечивающих его вовлечение в малый круговорот:

1) газовая функция – образование различных газов при разложении органического вещества; именно таким путем образованы основные газы современной атмосферы;

2) концентрационная функция – заключается в том, что живые организмы накапливают (концентрируют) в своих телах многие химические элементы (углерод, кальций, водоросли − кремний и йод, позвоночные – фосфор);

3) окислительно-восстановительная функция – изменение степени окисления организмов и переход их из одной формы в другую;

4)биохимическая функция – увеличение количества живого вещества

иперемещение его по планете;

5) биогеохимическая деятельность человека – изменяет круговороты большинства элементов.

Круговороты веществ являются обязательным условием саморегуляции природных экосистем. Чем лучше организованы круговороты химических элементов в системе, тем она стабильнее. Стабильные экосистемы обладают способностью поглощать элементы из окружающей среды и сохранять их в обменном фонде.

Основным источником энергии для осуществления круговоротов всех элементов служит Солнце. Каждый элемент движется в биосфере по своему особому пути, но круговороты всех веществ взаимосвязаны и часто пересекаются. Круговорот веществ на Земле связан с космическим круговоротом. Образующиеся на Земле легкие газы (водород, гелий) попадают в космическое пространство. С другой стороны, из космоса с космической пылью, метеоритами, солнечным ветром на Землю поступает большое количество химических элементов.

В настоящее время человек оказывает сильное влияние на круговороты многих элементов. При добыче природных ресурсов истощаются резервные фонды элементов в литосфере. При этом большая часть вещества выходит из круговорота. В результате деятельности человека круговороты многих элементов теряют цикличность, что ведет к снижению устойчивости всей биосферы в целом. Сам человек, являясь компонентом биосферы, также ощущает негативное последствие своей деятельности: в одних местах возникает нехватка природных ресурсов, а в других – избыток продуктов их переработки, ведущий к загрязнению среды.

Одной из основных задач охраны природы является возвращение веществ в круговорот и возвращение цикличности природным процессам.

2.2.Биогеохимические циклы биогенных элементов

ивоздействие на них человека

Биогенными элементами, то есть элементами, играющими важную роль в жизнедеятельности практически всех живых организмов, являются азот, кислород, углерод, фосфор, сера и некоторые другие.

Круговороты азота, кислорода и углерода имеют резервные фонды в атмосфере (круговороты газообразных веществ). Круговороты фосфора и серы относятся к осадочным циклам.

2.2.1.Биогеохимический цикл азота

Азот является основным газом атмосферы, где его объемная доля составляет 78 %. Биосферный круговорот азота хорошо отрегулирован и носит замедленный характер.

Большинство живых организмов может использовать азот только в виде сложных соединений с другими элементами. Азот входит в состав белков и других важных органических соединений, составляющих живые клетки.

Перевод азота из одних неорганических соединений (оксидов азота, аммиака, нитратов, нитритов, солей аммония) в другие происходит при

органических соединений азота образуются неорганические вещества. Важную роль в этом процессе играют аммонифицирующие бактерии, которые получают необходимую им энергию в процессе восстановления органических азотсодержащих веществ до аммиака и солей аммония.

Обитающие в почве нитратные и нитритные бактерии осуществляют сложный процесс нитрификации, включающий ряд последовательных реакций преобразования ионов аммония (NH4+) до нитрат-ионов (NO3−), которые могут опять использоваться растениями-продуцентами. Таким образом, почвенные бактерии, продуценты и консументы образуют малый (биологический) круговорот азота – важную часть его биогеохимического цикла.

В почве также происходит процесс денитрификации: под действием денитрифицирующих бактерий из растворимых соединений азота образуются газообразные вещества – происходит возвращение азота в атмосферу.

Определенное количество азота на сотни тысяч лет выключается из круговорота, переходя в глубинные отложения литосферы. Эти потери отчасти компенсируются поступлением азота в атмосферу с вулканическими газами при извержении вулканов. Газообразные соединения азота выделяются также при сжигании каменного угля, торфа, при горении различных органических веществ.

Человек оказывает существенное влияние на перемещение азота в биосфере. В результате деятельности человека в растворимые соединения азота (нитраты, нитриты, соли аммония) переводится азота на 60 % больше, чем в процессе жизнедеятельности всех других организмов. Но, благодаря большому резервному фонду в атмосфере, недостаток азота быстро восполняется за счет перемещения газообразных веществ. Поэтому круговорот азота в настоящее время сохраняет цикличность и относится к числу наиболее отлаженных природных круговоротов.

2.2.2. Биогеохимический цикл кислорода

Круговорот кислорода играет важную роль в функционировании всей биосферы. Наличие свободного кислорода является обязательным условием жизнедеятельности большинства живых организмов. С другой стороны, живые организмы обуславливают появление кислорода в атмосфере. В биосфере кислород вступает во множество химических реакций и входит в состав тканей всех живых организмов.

На рис.9 приведена схема круговорота кислорода в атмосфере. Содержание кислорода в атмосфере относительно постоянно и

составляет около 23 %. В верхних слоях атмосферы под действием жесткого ультрафиолетового излучения образуется озон (О3). На образо-

вание озона расходуется около 5 % поступающей на Землю солнечной энергии. Эта реакция обратима: при разложении озона образуется свободный кислород (О2) и выделяется большое количество энергии, что обуславливает высокую температуру в верхних слоях атмосферы.

Кроме атмосферы, большое количество кислорода содержится в литосфере и гидросфере (кислородсодержащие горные породы).

Общее количество кислорода, находящееся в резерве в лито- и гидросфере, составляет 590·104 т. В состоянии свободного обмена содержится значительное меньшее количество кислорода – всего 39·104 т. Это газообразный кислород, а также кислород, входящий в состав живых организмов, и растворимые соединения. Большое количество атмосферного кислорода расходуется на процессы окисления горных пород, а также на реакции, протекающие при извержении вулканов.

Огромную роль в круговороте кислорода играют живые организмы.

Рис. 9. Биогеохимический цикл кислорода

Продуценты производят свободный кислород в процессе фотосинтеза, причем от фотосинтетиков океана кислорода поступает в 8 раз больше, чем от наземных растений. Значительная часть этого кислорода расходуется на процесс дыхания. Фотосинтез и дыхание являются взаимосвязанными процессами, обеспечивающими постоянное содержание кислорода в атмосфере.

Именно появление в атмосфере большого количество свободного кислорода в результате деятельности продуцентов прошлых геологических эпох во многом способствовало развитию жизни на Земле. В.И. Вернадский писал: «Жизнь, создающая в земной коре свободный кислород, тем самым создает озон и предохраняет биосферу от губительных

коротких излучений небесных светил». Возникновение озонового слоя способствовало выходу жизни из океанов и заселению суши.

Обмен кислорода в живой природе (биологический круговорот) совершается сравнительно быстро. Подсчитано, что для полного обновления всего кислорода, содержащегося в атмосфере, требуется около 2000 лет. По геологическим меркам – небольшой срок.

В настоящее время на биогеохимический цикл кислорода все большее влияние оказывает деятельность человека. Огромное количество свободного кислорода тратится на процессы сжигания топлива и окисления загрязняющих веществ. Вырубка зеленых насаждений сопровождается уменьшением общей интенсивности фотосинтеза на планете. При этом нарушается равновесие процессов синтеза и потребления свободного кислорода, следствием чего является постепенная потеря круговоротом цикличности.

2.2.3. Биогеохимический цикл углерода

Из всех известных биогеохимических циклов наиболее интенсивным является круговорот углерода. Продолжительность одного цикла в этом случае − всего 300 лет.

Цепь из атомов углерода составляет основу всех органических веществ: белков, жиров, углеводов и других соединений, необходимых для жизнедеятельности всех живых организмов.

Циркуляция углерода между живой и неживой природой происходит с высокой скоростью. Основными неорганическими соединениями углерода являются его оксиды (СО2 и СО), а также карбонаты, составляющие карбонатные горные породы.

Наиболее подвижным соединением углерода в атмосфере, играющим большую роль в круговороте, является углекислый газ (СО2).

На рис. 10 приведен биогеохимический цикл углерода.

Основным резервом углерода являются запасы углеродсодержащих горных пород (карбонатов, доломитов и др.) на дне океана и в земной коре, а также ископаемые виды топлива. Резерв углерода в атмосфере значительно меньше, но он играет большую роль в круговороте из-за своей подвижности.

Углекислый газ атмосферы потребляется продуцентами в процессе фотосинтеза с образованием органического вещества. Ежегодно растениями связывается около 46 млрд т углерода. Часть его в процессе питания передается животным. При дыхании растений и животных углерод выделяется в виде углекислого газа, который опять поступает в атмосферу. Продукты жизнедеятельности растений и животных, а также мертвое органическое вещество разлагается редуцентами с окислением

Фосфор входит в состав клеточных мембран, ферментов костных тканей, то есть является необходимым элементом протоплазмы всех живых организмов. Цикл фосфора менее совершенен, чем цикл азота. Большие массы соединений фосфора могут переходить в глубинные отложения, выходя из круговорота на долгое время.

Особенностью круговорота фосфора является то, что в процессе циркуляции элемент не образует газообразных соединений. Резерв фосфора сосредоточен не в атмосфере, а в литосфере в виде фосфоросодержащих пород. Поэтому биогеохимический круговорот фосфора (рис. 11) относится к осадочным циклам.

Основная масса фосфора на Земле сосредоточена в виде изверженных (апатиты) и осадочных (фосфориты) пород. В процессе эрозии и выветривания горных пород образуются растворимые соединения фосфора, которые могут поглощаться растениями.

Производство

удобрений и моющих средств Возвращение фосфора

на сушу

Рыболовство, Фосфатные морские птицы

горные

породы

Рис.11. Биогеохимический цикл фосфора

В тканях растений синтезируются органические фосфоросодержащие соединения, которые в процессе питания могут переходить к животным. Из продуктов жизнедеятельности и останков растений и животных фосфор выделяется в виде неорганических соединений, которые могут быть опять вовлечены в биологический круговорот, а могут перейти в глубинные отложения в процессе минерализации.

Растворимые соединения фосфора непрерывно поступают в Мировой океан с речными водами. Большое количество фосфора содержится в тканях морских организмов. Отмершие останки организмов опускаются на дно и образуют массивные отложения фосфоросодержащих пород на дне океана.