Круговорот второстепенных элементов

Второстепенные элементы – это элементы, которые не представляют особой ценности для организма. Они не редко мигрируют между средой и организмами. Большинство из них принимает участие в общем осадочном механизме, некоторые могут попасть в атмосферу. Есть элементы, которые, не будучи биогенными, могут концентрироваться в определенных тканях живых организмов, причем при достижении определенных концентраций становятся опасными для жизнедеятельности. Многие второстепенные элементы в обычных для экосистем концентрациях почти не оказывают влияния на состояние организмов (стронций, цезий, ртуть, кадмий, медь, цинк, свинец) [2].

Возвращение веществ в круговорот

Для возврата химических элементов в круговорот всегда требуются определенные затраты энергии. В тех случаях, когда источником энергии для возврата веществ в круговорот служат солнечный свет и органическое вещество, человеку не приходится непосредственно затрачивать ископаемые виды топлива. В ненарушенном состоянии природные механизмы рециркуляции в основном реализуют возвращение в круговорот воды и элементов питания. Оценку миграции вещества внутри экосистем можно проводить по величине циркуляции между отдельными блоками экосистемы, представленной в виде массы материала на входе и выходе. Повторно используемую часть вещества определяют суммой его количеств, проходящих в круговороте через каждый отсек системы, и коэффициентом рециркуляции:

СJ = R / T,

где СJ – коэффициент рециркуляции, R – возврат потока вещества через систему, Т – общий поток вещества через систему.

Коэффициенты рециркуляции для различных элементов неодинаковы. Они более высоки для тех элементов, которые считаются очень ценными (золото, платина) и используются повторно на 90% и более. У второстепенных элементов, потребность в которых невелика, коэффициенты возврата обычно низкие. Так как энергия проходит все системы насквозь и не используется вторично, то коэффициент ее рециркуляции равен нулю. Коэффициент рециркуляции в естественных экосистемах возрастает при увеличении разнообразия и усложнении биотических компонентов, по мере обеднения ресурсов среды на входе, по мере накопления на выходе отходов, опасных для жизни в экосистеме, либо при наличии одновременно всех трех процессов.

Поток энергии

Живая оболочка планеты непрерывно поглощает не только энергию Солнца, но и идущую из недр Земли; энергия трансформируется и передается от одних организмов к другим и излучается в окружающую среду. Следует четко представлять себе, что является источниками энергии в биосфере, куда «текут» энергетические потоки и какова их роль в создании биомассы.

Единственным первичным источником внешней энергии на Земле является световое и тепловое излучение Солнца. Ежегодно на земную поверхность падает около 21·10²³ кДж, из этой величины на участки Земли, покрытые растениями, а также на водоемы, с содержащейся в них растительностью, приходится только около 40%. С учетом потери энергии радиации вследствие отражения и других причин, а также энергетического выхода фотосинтеза, не превышающего 2%, общее количество энергии, запасаемой ежегодно в продуктах фотосинтеза, выразится величиной порядка 20·10²² кДж. Кроме создания чистой продукции, живой покров суши использует захваченную им энергию Солнца для процесса дыхания. Эти энергетические затраты составляют около 30 - 40% энергии, расходуемой на создание чистой продукции. Таким образом, растительность суши в год преобразует суммарно (на дыхание и создание чистой продукции) около 4,2·10¹⁸ кДж солнечной энергии.

Создание и существование биомассы неразрывно связаны с поступлением энергии и веществ из окружающей среды. Большинство веществ земной коры проходит через живые организмы и вовлекается в биологический круговорот веществ, создавший биосферу и определяющий ее устойчивость. В энергетическом отношении жизнь в биосфере поддерживается постоянным притоком энергии от Солнца и использованием ее в процессах фотосинтеза. Поток солнечной энергии, воспринимаясь молекулами живых клеток, преобразуется в энергию химических связей. В процессе фотосинтеза растения используют лучистую энергию солнечного света для превращения веществ с низким содержанием энергии (СО₂ и Н₂О) в более сложные органические соединения, глее часть солнечной энергии запасена в форме химических связей.

Органические вещества, образованные в процессе фотосинтеза, служат источником энергии для самого растения или переходят от одних организмов к другим: от растений к растительноядным животным, от них – к плотоядным и т.д. Высвобождение заключенной в органических соединениях энергии происходит также в процессе дыхания или брожения. Разрушение использованных или отмерших остатков биомассы осуществляют разнообразные организмы, относящиеся к числу сапрофитов (гетеротрофные бактерии, грибы, некоторые животные и растения). Они разлагают остатки биомассы на неорганические составные части (минерализация), способствуя вовлечению в биологический круговорот соединений и химических элементов, что обеспечивает очередные циклы продуцирования органического вещества. Содержащаяся в пище энергия не совершает круговорота, а постепенно превращается в тепловую энергию. В итоге поглощенная организмами в виде химических связей солнечная энергия снова возвращается в пространство в виде теплового излучения. Поэтому биосфере требуется постоянный приток энергии извне. Эту важнейшую функцию и выполняет Солнце, обеспечивающее в течении многих миллиардов лет постоянный поток энергии через биосферу. При этом к Земле приходит коротковолновое излучение (свет), а уходит от нее длинноволновое тепловое излучение. Существенно, что баланс этих энергий не соблюдается: планета излучает в Космос несколько меньше энергии, нежели получает от Солнца. Эту разность (доли процента) и усваивает биосфера, постепенно, но постоянно накапливая энергию. Ее оказалось достаточно для того, чтобы однажды на планете появилась жизнь, возникла биосфера, чтобы и ныне поддерживать все грандиозные процессы развития планеты.

Рост о размножение организмов, происходящие в биосфере, обеспечивают биогенную миграцию атомов, которая обусловила в процессе эволюции создание современной природной системы. За сотни миллиардов лет растения поглотили огромное количество диоксида углерода и одновременно обогатили атмосферу кислородом. Живые организмы глубоко воздействуют на природные свойства биосферы и всей планеты. Скелеты беспозвоночных образовали такие осадочные породы, как известняк и мел; каменный уголь и нефть образовались из растительных остатков. Биогенное происхождение имеет и почва, которая представляет собой продукт жизнедеятельности микроорганизмов, растений и животных в их взаимодействии с неорганическими компонентами природы. Важно подчеркнуть, что возникновение в процессе эволюции более сложно устроенных, но мене зависимых от изменений среды организмов, а также развитие относительно устойчивых экосистем привело к увеличению скорости движения энергии и веществ в сформировавшихся биогеоценозах.

Таким образом, энергия течет в одном направлении, а вещество «вращается» на месте. Солнечная энергия приходит на Землю как бы в безвещественном виде, хотя в общем смысле она материальна (Солнце, излучая энергию, теряет многие миллиарды тонн своей массы). Попав на планету и приведя в движение, образно говоря, «жернова биосферы», энергия как бы стекает с них в форме теплового излучения. При этом тепло – непревратимая далее энергия – переходит с вовлеченного в круговорот вещества в окружающую среду и навсегда покидает живую оболочку планеты.