4. Биохимические циклы.

Взаимодействие организмов с атмосферой, гидросферой, литосферой происходит посредством биологического круговорота вещества и энергии. Он складывается из двух противоположных процессов: образования живого вещества из неживого за счет солнечной энергии и его разрушения и превращения органического вещества в минеральное.

Первый процесс называется фотосинтез – это мощный естественный процесс, ежегодно вовлекающий в круговорот огромные массы вещества биосферы и определяющий ее высокий кислородный потенциал. Фотосинтез представляет собой химическую реакцию, протекающую за счет солнечной энергии при участии хлорофилла зеленых растений. В процессе реакции за счет углекислоты и воды синтезируется органическое вещество и выделяется свободный кислород. Простейшим продуктом реакции является глюкоза, образование которой происходит по уравнению:

6СО2 + 6Н2О = С6Н12О6 + 6О2

Фотосинтез осуществляется наземными растениями, пресноводными водорослями и океаническим фитопланктоном. Образовавшиеся в листе органические вещества перемещаются в стебли и корни, где уже в синтез включаются поступившие из почвы минеральные соединения – соли азота, серы, калия, кальция, фосфора.

Продуктивность планетарного фотосинтеза выражается в количестве углекислоты и воды, потребляемом растениями в течение года. В процессе фотосинтеза ежегодно используется 480 млрд т веществ, выделятся в атмосферу 248 млрд т свободного кислорода (Г.В.Войткевич, В.А.Вронский). При этом создается 238 млрд т живого вещества, в круговорот вовлекается 1 млрд т азота, 260 млн т фосфора и 200 млн т серы. В течение 10 млн лет фотосинтез перерабатывает массу воды, равную всей гидросфере, в течение 6-7 лет поглощается вся углекислота атмосферы, за 4000 лет обновляется весь «легкий» кислород атмосферы.

Одновременно с процессом образования органического вещества происходит его разложение. В результате дыхания растений и животных часть органических соединений разлагается до простых минеральных веществ. Основную роль при разложении органических веществ играют микроорганизмы. В процессе минерализации энергия, поглощенная при фотосинтезе, освобождается и передается ОС. Посредством биологического круговорота солнечная энергия переводится в химическую, тепловую, за счет преобразования энергии осуществляется большинство процессов в географической оболочке.

Биологический круговорот – эта система круговоротов разной продолжительности. Эфемеры пустынь развиваются в течение одного сезона и накопленные ими органические вещества быстро разлагаются. Весь цикл может занимать один или два месяца. Значительно длиннее цикл веществ, вошедших в состав древесины. Минерализация органического вещества в этом случае может произойти через сотни лет. Органическое вещество, превратившееся в нефть, разлагается через миллионы лет.

Биологические круговороты вещества не замкнуты. При отмирании органического вещества в почву возвращаются не только те элементы, которые из нее забирались, но и новые, образованные самим растением. Некоторые вещества надолго выходят из круговоротов, задерживаясь в почве или образуя осадочные горные породы.

Образование и разрушение органического вещества – противоположные, но неотделимые друг от друга процессы. Ускорение или отсутствие одного из них неизбежно приведет к исчезновению жизни. Если будет происходить только накопление органического вещества, то атмосфера вскоре лишиться углекислого газа, литосфера фосфора, серы, калия. Следовательно, фотосинтез прекратится, и растения погибнут. С другой стороны, если увеличится скорость разложения, все органическое вещество быстро разложится до минеральных соединений и жизнь прекратится.

Биологический круговорот вместе с другими круговоротами обеспечил взаимодействие атмосферы, гидросферы и литосферы, обусловил возникновение уникальной оболочки – географической оболочки Земли. Первичные оболочки в результате взаимодействия претерпели изменения, у них изменился состав, возникли новые свойства.

Вернадский писал, что земная газовая оболочка, наш воздух есть создание жизни. Кислород вместе с другими газами выделялся при дегазации мантии. До широкого распространения растений накопление кислорода происходило медленно, он расходовался на окисление минералов. Когда в океане получили широкое распространение фотосинтезирующие растения, процесс накопления кислорода ускорился. Считается, что примерно 20 млн. лет назад количество кислорода могло приблизиться к современному содержанию. В пределах биосферы происходит обмен кислорода среды с живыми организмами или их остатками после гибели. Растения производят свободный кислород, животные являются его потребителями путем дыхания.

Живые организмы принимают участие в круговороте азота. Усвоить азот высшие растения могут только «фиксированным», т.е. переведенными в доступные соединения. Этот процесс осуществляется азотфиксирующими бактериями, живущими в почве. Источником фиксированного азота в почве являются бобовые растения. Животные потребляют азот, поедая растения. Обратно в атмосферу азот поступает при разложении органического вещества бактериями денитрификаторами.

Миграция СО2 происходит двумя путями. На суше углекислый газ поглощается фотосинтезирующими растениями и может захорониться в виде углей, торфа, горючих сланцев, нефти на тысячи и млн лет. В водоемах происходит переход углекислого газа в гидрокарбонаты НСО3. Затем с помощью растворенного в воде кальция создаются карбонаты, они осаждаются как биогенным, так и абиогенным путем. Возникают мощные толщи известняков.

Предполагают, что количество воды, находящихся одновременно в организмах, может покрыть Землю тонкой пленкой толщиной в 1 мм. Организмы непрерывно потребляют и выделяют воду, деятельность организмов определяет газовый и солевой состав вод океана и внутренних вод. В воду поступают продукты жизнедеятельности организмов (СО2, Н2S, О2) и продукты разложения органических остатков (минеральные соединения серы, фосфора, азота). В результате обогащения газами и минеральными соединениями вода становится химически активной, способной растворять горные породы. Солевой состав океана также во многом определяются деятельностью живыми организмами.

Воздействие живого вещества на литосферу очень разнообразно. При участии живых организмов создаются органогенные горные породы – известняки, кремниевые породы (доломиты, опоки), каустобиолиты (торф, уголь, нефть, газ). Бактериальное происхождение имеют железные руды, фосфориты многих месторождений.