BZhCh_Novikov / Экологическая безопасность

КРУГОВОРОТ ВЕЩЕСТВ В БИОСФЕРЕ И ЭКОСИСТЕМАХ

Все доступные для живых организмов химические соединения в биосфере ограничены.

Исчерпаемость пригодных для усвоения химических веществ часто тормозит развитие тех или иных групп организмов в локальных участках суши или океана.

По выражению академика В.Р. Вильямса, единственный способ придать конечному свойства бесконечного состоит в том, чтобы заставить его вращаться по замкнутой кривой.

Следовательно, устойчивость биосферы поддерживается благодаря круговороту веществ и потокам энергии. Имеются два основных круговорота веществ: большой — геологический и малый — биогеохимический.

КРУГОВОРОТ ВЕЩЕСТВ В БИОСФЕРЕ И ЭКОСИСТЕМАХ

Большой геологический круговорот.

Кристаллические горные породы (магматические) под воздействием физических, химических и биологических факторов преобразуются в осадочные породы (песок и глина — типичные осадки). Однако формирование осадков происходит не только за счет разрушения уже существующих пород, но также и путем синтеза биогенных минералов

— скелетов микроорганизмов — из природных ресурсов — вод океана, морей и озер. Рыхлые водянистые осадки по мере их изоляции на дне водоемов новыми порциями осадочного материала, погружения на глубину, попадания в новые термодинамические условия (более высокие температуры и давления) теряют воду, отвердевают, преобразуясь при этом в осадочные горные породы.

В дальнейшем эти породы погружаются в еще более глубокие горизонты, где и протекают процессы их глубинного преобразования к новым температурным и барическим условиям, — происходят процессы метаморфизма.

КРУГОВОРОТ ВЕЩЕСТВ В БИОСФЕРЕ И ЭКОСИСТЕМАХ

Большой геологический круговорот

Под воздействием потоков эндогенной энергии глубинные породы переплавляются, образуя магму — источник новых магматических пород. После поднятия этих пород на поверхность Земли, под действием процессов выветривания и переноса снова происходит их трансформация в новые осадочные породы.

Таким образом, большой круговорот обусловлен взаимодействием солнечной (экзогенной) энергии с глубинной (эндогенной) энергией Земли. Он перераспределяет вещества между биосферой и более глубокими горизонтами нашей планеты.

КРУГОВОРОТ ВЕЩЕСТВ В БИОСФЕРЕ И ЭКОСИСТЕМАХ

Большой геологический круговорот

КРУГОВОРОТ ВЕЩЕСТВ В БИОСФЕРЕ И ЭКОСИСТЕМАХ

Большим круговоротом называется и круговорот воды между гидросферой, атмосферой и литосферой, который движется энергией Солнца.

Вода испаряется с поверхности водоемов и суши и затем вновь поступает на Землю в виде осадков.

Над океаном испарение превышает осадки, над сушей наоборот. Эти различия компенсируют речные стоки.

В глобальном круговороте воды важна роль растительность суши. Транспирация растений на отдельных участках земной поверхности может составить до 80-90% выпадающих осадков, а в среднем по всем климатическим поясам — около 30%.

КРУГОВОРОТ ВЕЩЕСТВ В БИОСФЕРЕ И ЭКОСИСТЕМАХ

В отличие от энергии, которая однажды использована организмом, превращается в тепло и теряется, вещества в биосфере циркулируют, создавая биогеохимические круговороты. Из девяноста с лишним элементов, встречающихся в природе, живым организмам нужно около сорока. Наиболее важные для них требуются в больших количествах — углерод, водород, кислород, азот. Круговороты элементов и веществ осуществляются за счет саморегулирующих процессов, в которых участвуют все составные части экосистем. Эти процессы являются безотходными. Существует закон глобального замыкания биогеохимического круговорота в биосфере, действующий на всех этапах ее развития. В процессе эволюции биосферы увеличивается роль биологического компонента в замыкании биогеохимического круговорота.

Большее влияние на биогеохимический круговорот оказывает Человек. Но его роль проявляется в противоположном направлении (круговороты становятся незамкнутыми). Основу биогеохимического круговорота веществ составляют энергия Солнца и хлорофилл зеленых растений. Наиболее важные круговороты — воды, углерода, азота, фосфора и серы — связаны с биогеохимическим и способствуют ему.

КРУГОВОРОТ ВЕЩЕСТВ В БИОСФЕРЕ И ЭКОСИСТЕМАХ

Круговорот углерода

Углерод как химический элемент является основой жизни. Он может разными способами соединяться со многими другими элементами, образуя простые и сложные органические молекулы, входящие в состав живых клеток. По распространению на планете углерод занимает одиннадцатое место (0,35% веса земной коры), но в живом веществе он в среднем составляет около 18 или 45% сухой биомассы.

КРУГОВОРОТ ВЕЩЕСТВ В БИОСФЕРЕ И ЭКОСИСТЕМАХ

Круговорот углерода

Углекислый газ атмосферы и гидросферы представляет собой обменный фонд в круговороте углерода, откуда его черпают наземные растения и водоросли. Фотосинтез лежит в основе всех биологических круговоротов на Земле. Высвобождение фиксированного углерода происходит в ходе дыхательной активности самих фотосинтезирующих организмов и всех гетеротрофов — бактерий, грибов, животных, включающихся в цепи питания за счет живого или мертвого органического вещества.

КРУГОВОРОТ ВЕЩЕСТВ В БИОСФЕРЕ И ЭКОСИСТЕМАХ

Круговорот углерода

Особенно активно происходит возврат в атмосферу С02 из почвы, где сосредоточена деятельность многочисленных групп организмов, разлагающих остатки отмерших растений и животных и осуществляется дыхание корневых систем растений. Этот интегральный процесс обозначается как «почвенное дыхание» и вносит существенный вклад в пополнение обменного фонда С02 в воздухе. Параллельно с процессами минерализации органического вещества в почвах образуется гумус

— богатый углеродом сложный и устойчивый молекулярный комплекс. Гумус почв является одним из важных резервуаров углерода на суше.

КРУГОВОРОТ ВЕЩЕСТВ В БИОСФЕРЕ И ЭКОСИСТЕМАХ

Круговорот в экосистеме

Основными компонентами экосистем являются:

неживая (абиотическая) среда (вода, минеральные вещества, газы, также органические вещества и гумус); биотические компоненты (продуценты – зеленые растения, консументы, или потребители, питающиеся продуцентами, и редуценты – микроорганизмы). Природа действует в высшей степени экономно. Так, созданная организмами биомасса (вещество тел организмов) и содержащаяся в них энергия передаются другим членам экосистемы: животные поедают растения, этих животных поедают другие животные. Этот процесс называют пищевой, или трофической, цепью. В природе пищевые цепи зачастую перекрещиваются, образуя пищевую сеть.