Круговорот веществ в природе

Благодаря жизнедеятельности живых организмов химические элементы беспрерывно циркулируют в биосфере, переходя из внешней среды в организмы и опять во внешнюю среду. Такая циркуляция по более или менее замкнутым путям называется биологическим (малым) круговоротом вещества.

Химический элемент, участвуя в биологическом круговороте, может оказаться во внешней среде, а уже здесь включиться в большой геологической круговорот. Пройдя через геологический цикл химический элемент опять может быть вовлеченным в биологический круговорот, тем самым, замкнув новый круговорот, который принято назвать биогеохимическим циклом.

Все вещества на Земле находятся в биохимическом круговороте - большом (геологическом) и малом (биотическом). В большом круговороте, длящемся миллионы лет, участвуют горные породы, которые выветриваются, сносятся в Мировой океан, образуют напластова­ния и в процессе перемещения морей, океанов, материков могут возвратиться на сушу, где снова подвергаются выветриванию.

С появлением на Земле живой материи химические элементы непрерывно циркулируют в биосфере, переходя из внешней среды в организмы и опять во внешнюю среду. В этом малом круговороте, являющемся частью большого, участвуют питательные вещества почвы, вода, углерод, которые используются растениями для построения их тела и жизненных процессов, а затем - на те же задачи животных-консументов; далее, продукты распада всего органического вещества разлагаются почвенной микрофлорой и мезофауной (бактерий, грибы, черви и др.) до минеральных компонентов и снова поступают в растения. Этот круговорот называется биогеохимическим циклом. Основными биогеохимическими циклами являются круговороты кислорода, углерода, воды, азота, фосфора, серы и других биогенных элементов. Несоответствие между наличием и доступностью химических элементов в земной коре, с одной стороны, и потребностями живых организмов, с другой, породило проблему дефицита некоторых элементов в биосфере и привело к ограничению живого вещества на Земле. Единственным выходом из этого положения оказалось использование химических элементов по типу круговоротов.

В настоящее время биогенные элементы земной коры охвачены глобальными и локальными круговоротами, причем движущей силой являются сами живые организмы.

В формировании и специфике функционирования современных круговоротов химических элементов важнейшую роль сыграло накопление в атмосфере сильного окислителя - кислорода, который в свою очередь явился побочным продуктом фотосинтезирующих организмов. Так само живое вещество стало мощной геологической силой, в значительной мере определившей своеобразие состояния земной коры, воды и атмосферы.

Круговорот кислорода

В добиологический период существования Земли атмосфера состояла в основном из водяного пара, углекислого газа, азота и некоторых других газов. Кислород в более или менее значительных количествах начал накапливаться в атмосфере после распространения фотосинтезирующих организмов - около 2 млрд. лет тому назад.

По мере возрастания количества кислорода в атмосфере он частично трансформируется под действием ультрафиолетового излучения в озон. Все возрастающий слой озона усиливал свои защитные функции. Соответственно росло количество хлорофилловых организмов, главным образом фитопланктона, которые освобождали новые порции кислорода.

В последние 20 миллионов лет содержание кислорода в атмосфере стабилизировалось. Современная атмосфера содержит около 1/20 части кислорода, имеющегося в биосфере. По содержанию в атмосфере он является вторым после азота газом. Однако именно потому, что кислород содержится в земной коре повсеместно, экологи уделяют его круговороту меньше внимания, чем круговоротам углерода, азота, фосфора и др. В атмосфере кислород содержится в виде О₂, СО₂, О₃, в воде - в растворенном виде как газ и в соединении с водородом - Н₂О, в литосфере - в форме различных оксидов (Fe₂О₃, Na₂0, Mg О, SiО₂, К₂О и т.д.) и солей (СаСО₃ и др.). Самый большой фонд кислорода находиться у поверхности Земли в виде углекислого кальция осадочных пород, но за исключением небольшого количества, освобождаемого в результате вулканической деятельности, он недоступен в этом виде живым организмам.

В биохимическом круговороте участвует в основном атмосферный кислород. Образование свободного кислорода происходит главным образом в результате фотосинтеза растений, а потребление - в ходе дыхания, реакции окисления (в том числе сжигания топлива) и других химических преобразований.

Общее количество свободного кислорода оценивается в 1,18*10¹⁵т. Это количество накопилось за все время существования земной растительности. Сейчас свободный кислород образуется со скоростью примерно 1,55*10⁹ т/год, а расходуется со скоростью около 2,16¹⁰ т/год. Таким образом, расход кислорода больше его поступления в атмосферу. Пока усиление техногенного потребления кислорода, а также вырубка лесов не привели к заметному снижению содержания свободного кислорода в атмосфере, но наметившаяся тенденция этого процесса в перспективе опасна. Зеленые растения освобождают в год около 1/2500 содержания кислорода в атмосфере, поэтому время его круговорота в атмосфере составляет примерно 2500 лет.