2. Биогеохимический круговорот атомов

Существенной чертой биосферных процессов является кругооборот (цикличность). Суточные, лунные, годичные, многолетние и многие другие ритмы представляют собой разнообразные временные формы такой цикличности. Ее вещественной формой является кругооборот веществ, химических элементов, совершающийся в биосфере. Кругооборот включает в себя пищевые цепи биогеоценозов, обмен веществ между живой и неживой природой, глобальные циклы движения воды, кислорода, диоксида углерода и других биогенных элементов. Цикличность биосферных процессов свидетельствует об их повторяемости, воспроизводимости, устойчивости.

Внешние оболочки Земли – атмосфера, гидросфера и литосфера – связаны между собой процессами массообмена, имеющими циклический характер. Миграционные потоки, захватывающие огромные количества атомов различных элементов, существовали на протяжении всей геологической истории нашей планеты: они обеспечили формирование современного химического состава ее газовой и водной оболочек и земной коры. Обмен химическими элементами между геосферами эволюционировал во времени.

Современные биогеохимические циклы захватывают атмосферу и всю гидросферу. Что касается литосферы, то миграционные потоки в основном ограничиваются самой верхней ее частью – зоной гипергенеза. При этом наибольшей интенсивностью обменных процессов характеризуется педосфера.

В биогеохимические циклы вовлекаются не только атомы биофильных элементов, но практически все химические элементы земной коры. Для выяснения возможностей недеструктивного управления происходящими в биосфере процессами необходимо рассмотреть закономерности формирования всех жизненно важных характеристик природной среды.

Солнечная энергия обеспечивает на Земле два круговорота веществ: большой, или геологический (абиотический), и малый, или биологический (биотический). Круговорот веществ и превращение энергии обеспечивают динамическое равновесие и устойчивость биосферы в целом и отдельных ее частей.

Большой круговорот наиболее четко проявляется в циркуляции воздушных масс и воды. В основе большого геологического круговорота лежит процесс переноса минеральных соединений из одного места в другое в масштабе планеты.

Около половины получаемой Землей энергии Солнца расходуется на перемещение воздуха, выветривание горных пород, испарение воды, растворение минералов и т.д. Движение воды и ветра, в свою очередь, приводят к эрозии, переносу, осаждению, накоплению механических и химических осадков на суше и океане. В течение длительного времени образующиеся отложения могут возвращаться – и процессы возобновляются. К этим циклам подключаются вулканическая деятельность и движение океанических плит в земной коре. Круговорот воды, включающий переход ее из жидкого в газообразное и твердое состояние и обратно, – один из главных компонентов абиотической циркуляции веществ.

На базе большого геологического круговорота возникает круговорот органических веществ, или малый, биологический круговорот. В основе малого круговорота веществ лежат процессы синтеза и разрушения органических соединений. Эти два процесса обеспечивают жизнь и составляют одну из главных ее особенностей.

В отличие от геологического, биологический круговорот характеризуется ничтожным количеством энергии. На создание органического вещества затрачивается всего около 1 % падающей на землю лучистой энергии. Однако эта энергия, вовлеченная в биологический круговорот, совершает огромную работу по созиданию живого вещества.

Для существования жизни необходимо, чтобы химические элементы постоянно циркулировали из внешней среды в живые организмы и обратно, переходя из протоплазмы одних организмов в усвояемую для других организмов форму.

Все химические элементы участвуют в большом и малом круговороте веществ (рис.2).

Из почти сотни химических элементов, встречающихся в природе, 30–40 являются биогенными. Некоторые из них, такие как углерод, водород, кислород, азот, фосфор нужны организмам в больших количествах – это макроэлементы, другие – в малых или микроколичествах – это микроэлементы.

Обмен веществом и энергией между различными компонентами биосферы, обусловленный жизнедеятельностью организмов и носящий цикличный характер, называется биогеохимическим циклом (биогеохимический круговорот веществ).

Рис.2. Круговорот вещества и путь энергии в экосистеме:

Е – энергия, Э – химический элемент

Термин «биогеохимический цикл» ввел В. И. Вернадский. Современные биогеохимические циклы захватывают атмосферу и всю гидросферу. В литосфере наибольшей интенсивностью обменных процессов характеризуется педосфера. Все биогеохимические циклы взаимосвязаны в природе и в совокупности формируют устойчивую структуру биосферы в целом. Замкнутость нормальных биогеохимических циклов неполная, хотя степень обратимости годичных циклов важнейших биогенных элементов достигает порядка 95–98 % – и это очень важное свойство. Именно оно обусловило биогенное накопление кислорода и азота в атмосфере Земли, а также различных химических элементов и их соединений в литосфере.

В каждом биогеохимическом цикле можно выделить два фонда (рис.3).

Рис.3. Резервный и обменный фонды элемента:

Е – энергия, Q – теплота, Э – резервный фонд, А – автотрофы, Г – гетеротрофы, 1 – поступление веществ, иммиграция организмов, 2 – экспорт веществ, эмиграция организмов

1. Резервный – большая масса медленно движущихся веществ, содержащих данный элемент, в основном в составе абиотического компонента.

2. Обменный (подвижный) – меньший, но более активный, который быстро обменивается между организмами и окружающей их средой.

Иногда резервный фонд называют «недоступным», а обменный – «доступным».

Биогеохимические циклы делятся на два типа: круговороты газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере и гидросфере и осадочные циклы с резервным фондом в земной коре (рис.4).

Главными биогеохимическими циклами, обеспечивающими жизнь на планете, кроме круговорота воды, являются циркуляции углерода, кислорода, азота, фосфора, серы и других биогенных элементов.

Циклы функционируют под действием биологических и геологических факторов.

Механизмы, обеспечивающие восстановление равновесия в круговороте, возвращение элементов в круговорот, основаны на биологических процессах.

С, N, О P, Fe, Ca

Рис.4. Два типа биогеохимических циклов

Рассмотрим эволюционно сложившиеся циклы важнейших биофильных элементов.