41. Состав и границы биосферы.

Биосфера, являясь глобальной экосистемой (экосферой), как и любая экосистема, состоит из абиотической и биотической части.

Абиотическая часть представлена: 1) почвой и подстилающими ее породами до глубины, где в них еще есть живые организмы, вступающие в обмен с веществом этих пород и физической средой порового пространства; 2) атмосферным воздухом до высот, на которых возможны еще проявления жизни; 3) водной средой океанов, рек, озер и т. п.

Биотическая часть состоит из живых организмов всех таксонов, осуществляющих важнейшую функцию биосферы, без которой не может существовать сама жизнь: биогенный ток атомов. Живые организмы осуществляют этот ток атомов благодаря своему дыханию, питанию и размножению, обеспечивая обмен веществом между всеми частями биосферы.

В основе биогенной миграции атомов в биосфере лежат два биохимических принципа: — стремиться к максимальному проявлению, к «всюдности» жизни; — обеспечить выживание организмов, что увеличивает саму биогенную миграцию.

При общем рассмотрении биосферы, как планетарной экосистемы, особое значение приобретает представление о ее живом веществе как о некой общей живой массе планеты.

Под живым веществом В. И. Вернадский понимал все количество живых организмов планеты как единое целое.

Границы биосферы — от высот атмосферы, где царят холод и низкое давление, до глубин океана, где давление достигает 12 тыс. атм. Это стало возможным потому, что пределы толерантности температур у различных организмов — от абсолютного нуля до 180 °С, а некоторые бактерии могут существовать в вакууме. Широк диапазон химических условий среды для ряда организмов — от жизни в уксусе до жизни под действием ионизирующей радиации (бактерии в котлах ядерных реакторов). Более того, выносливость некоторых живых существ по отношению к отдельным факторам выходит даже за пределы биосферы, т. е. у них есть еще определенный «запас прочности» и потенциальные возможности к распространению. Однако все организмы выживают еще и потому, что везде, где бы ни было их местообитание, существует биогенный ток атомов. Этот ток не смог бы иметь места, во всяком случае, в наземных условиях, если бы не было почв. Почвы — важнейший компонент биосферы, оказывающий наряду с Мировым океаном решающее влияние на всю глобальную экосистему в целом. Именно почвы обеспечивают питание биогенными веществами растения, которые кормят весь мир гетеротрофов. Почвы на Земле разнообразны и их плодородие тоже разное.

Выделяют по различным признакам множество типов почв. Под типом почв понимается большая группа почв, формирующихся в однородных условиях и характеризующаяся определенным почвенным профилем и направленностью почвообразования.

Почва является граничным слоем между атмосферой и биосферной частью литосферы. В нем наблюдается не просто смешение живого и неживого компонентов природы, но и их взаимодействие в рамках почвенной экосистемы. Главное назначение этой экосистемы — обеспечение круговорота веществ в биосфере.

42) Большой и малый круговорот веществ в природе

Круговорот веществ в природе — это процесс циркуляции химических элементов и соединений между живыми организмами и их окружением. Этот процесс можно разделить на два основных типа: большой и малый круговорот веществ. Оба типа играют важную роль в поддержании экосистем и биосферы в целом.

Большой круговорот веществ

Большой круговорот веществ включает в себя циркуляцию химических элементов и соединений между биосферой, атмосферой, гидросферой и литосферой. Этот круговорот охватывает глобальные процессы и включает в себя все живые организмы и их окружение.

Основные элементы большого круговорота:

1. Углерод:

   • Фотосинтез: Растения и некоторые бактерии поглощают углекислый газ (CO₂) из атмосферы и используют его для синтеза органических веществ.

   • Дыхание и разложение: Животные и микроорганизмы потребляют органические вещества и выделяют CO₂ обратно в атмосферу.

   • Горение ископаемого топлива: Сжигание угля, нефти и газа также выделяет CO₂ в атмосферу.

2. Азот:

   • Фиксация азота: Азот из атмосферы (N₂) фиксируется в почву и воду через процессы, такие как молнии и деятельность азотфиксирующих бактерий.

   • Ассимиляция и денитрификация: Растения и микроорганизмы поглощают азот в виде нитратов и аммония, а затем он возвращается в атмосферу через денитрификацию.

3. Вода:

   • Испарение и конденсация: Вода испаряется с поверхности Земли, конденсируется в облаках и возвращается на землю в виде осадков.

   • Транспирация: Растения поглощают воду из почвы и выделяют её в атмосферу через листья.

Малый круговорот веществ

Малый круговорот веществ происходит внутри отдельных экосистем и включает в себя циркуляцию химических элементов и соединений между организмами в пределах этой экосистемы. Этот круговорот охватывает локальные процессы и взаимодействия.

Основные элементы малого круговорота:

1. Пищевые цепи и сети:

   • Продуценты: Растения и другие автотрофы синтезируют органические вещества из неорганических.

   • Консументы: Животные и другие гетеротрофы потребляют органические вещества, произведенные продуцентами.

   • Детрит и разложители: Мертвые организмы и их остатки разлагаются микроорганизмами, возвращая питательные вещества в почву и воду.

2. Локальные циклы:

   • Фосфор: Фосфор циркулирует внутри экосистем через процессы разложения и поглощения растениями и животными.

   • Калий: Калий также циркулирует внутри экосистем, поглощаясь растениями и возвращаясь в почву через разложение.

Взаимосвязь большого и малого круговорота

Большой и малый круговороты веществ взаимосвязаны и взаимодействуют друг с другом. Например, углекислый газ, выделяемый в процессе дыхания и разложения в малом круговороте, становится частью большого круговорота, когда он попадает в атмосферу и участвует в глобальных процессах.

43. Биогеохимические циклы углерода, азота и кислорода.

Биогеохимические циклы углерода, азота и кислорода наиболее совершенны. Благодаря большим атмосферным резервам они способны к быстрой саморегуляции.

В круговороте углерода, а точнее — наиболее подвижной его формы — СО2, четко прослеживается трофическая цепь: продуценты, улавливающие углерод из атмосферы при фотосинтезе, консументы — поглощающие углерод вместе с телами продуцентов и консументов низших порядков, редуцентов — возвращающих углерод вновь в круговорот. Скорость оборота СО2 составляет порядка 300 лет (полная его замена в атмосфере).

В Мировом океане трофическая цепь: продуценты (фитопланктон) — консументы (зоопланктон, рыбы) — редуценты (микроорганизмы) — осложняется тем, что некоторая часть углерода мертвого организма, опускаясь на дно, «уходит» в осадочные породы и участвует уже не в биологическом, а в геологическом круговороте вещества.

Главным резервуаром биологически связанного углерода являются леса, они содержат до 500 млрд. т этого элемента, что составляет 2/3 его запаса в атмосфере. Вмешательство человека в круговорот углерода приводит к возрастанию содержания СО2 в атмосфере.

Скорость круговорота кислорода — 2 тыс. лет, именно за это время весь кислород атмосферы проходит через живое вещество. Основной поставщик кислорода на Земле — зеленые растения. Ежегодно они производят на суше 53- 109 т кислорода, а в океанах — 414-109 т.

Главный потребитель кислорода — животные, почвенные организмы и растения, использующие его в процессе дыхания. Процесс круговорота кислорода в биосфере весьма сложен, так как он содержится в очень многих химических соединениях.

Подсчитано, что на промышленные и бытовые нужды ежегодно расходуется 23% кислорода, который высвобождается в процессе фотосинтеза.

Предполагается, что в ближайшее время весь продуцированный кислород будет сгорать в топках, а, следовательно, необходимо значительное усиление фотосинтеза и другие радикальные меры.

Биогеохимический круговорот азота не менее сложен, чем углерода и кислорода, и охватывает все области биосферы. Поглощение его растениями ограничено, так как они усваивают азот только в форме соединения его с водородом и кислородом. И это притом, что запасы азота в атмосфере неисчерпаемы (78% от ее объема). Редуценты (деструкторы), а конкретно почвенные бактерии, постепенно разлагают белковые вещества отмерших организмов и превращают их в аммонийные соединения, нитраты и нитриты.

Часть нитратов попадает в процессе круговорота в подземные воды и загрязняет их.

Опасность заключается также и в том, что азот в виде нитратов и нитритов усваивается растениями и может передаваться по пищевым (трофическим) цепям.

Азот возвращается в атмосферу вновь с выделенными при гниении газами.

Роль бактерий в цикле азота такова, что если будет уничтожено только 12 их видов, участвующих в круговороте азота, жизнь на Земле прекратится. Так считают американские ученые.

Биогеохимический круговорот в биосфере, помимо кислорода, углерода и азота, совершают и многие другие элементы, водящие в состав органических веществ, — сера, фосфор, железо и др.