Круговорот веществ и энергии в географической оболочке

Глава 1. Круговорот веществ и энергии в географической оболочке

Круговорот веществ - это повторяющиеся процессы превращения и перемещения веществ в природе, имеющие более или менее циклический характер. Эти процессы имеют определенное поступательное движение, так как при так называемых циклических превращениях в природе не происходит полного повторения циклов, всегда имеются те или иные изменения в количестве и составе образующихся веществ.

Жизнедеятельность биогеоценоза возможна только при условии постоянного  притока энергии и круговорота  веществ в географической оболочке. Однако, поскольку в жизнедеятельности биогеоценоза наряду с живыми организмами большое значение имеют химические и геологические факторы, рассматривать круговорот веществ следует с позиции биогеохимического цикла, т.е. циркуляции веществ между гидросферой, литосферой, атмосферой и живыми организмами.

Незамкнутые круговороты

Круговорот веществ никогда  не бывает полностью замкнутым в  круг, т.к. часть органических и неорганических веществ выносится за пределы  биогеоценоза и в то же время их запасы могут пополняться за счет притока извне. Неполная замкнутость циклов в масштабах геологического времени приводит к накоплению элементов в различных природных сферах Земли. Таким образом накапливаются полезные ископаемые - уголь, нефть, газ, известняки и т.п.

Постоянный приток энергии  в экосистему происходит за счет солнечного излучения, которое фотосинтезирующими организмами переводится в энергию  химических связей органических соединений. Передача энергии по пищевым цепям  подчиняется второму закону термодинамики: преобразование одного вида энергии  в другой идет с потерей части  энергии. При этом ее перераспределение  подчиняется строгой закономерности: энергия, получаемая экосистемой и  усваиваемая продуцентами, рассеивается или вместе с их биомассой необратимо передается консументам первого, второго и т.д. порядков, а затем редуцентам с падением потока энергии на каждом трофическом уровне. В связи с этим круговорота энергии не бывает.

О круговороте веществ  можно говорить только в очень  узком смысле биотического круговорота: поступления биогенных элементов (углерода, кислорода, азота и пр.) к живым организмам и возвращение  этих же биогенных элементов в  окружающую среду (т.е. потребление  и возврат биогенных элементов  происходит по кругу).

В географической оболочке круговорот веществ происходит как между геосферами (атмосферой, гидросферой, земной корой, гранитной, базальтовой и другими сферами) в пределах 10-20 км (местами 50-60 км) от поверхности Земли, так и между некоторыми геосферами и живыми организмами. Непосредственно непрерывный круговорот веществ наблюдается в атмосфере, гидросфере, верхней части твёрдой литосферы и в биосфере. К геологической силе в этом круговороте в настоящее время добавилась деятельность человека.

Таким образом, различают  два основных круговорота: 

• большой (геологический) - продолжающийся миллионы лет, заключается в том, что горные породы подвергаются разрушению, а продукты выветривания (в том числе растворимые в воде питательные вещества) сносятся потоками воды в Мировой океан, где они образуют морские напластования и лишь частично возвращаются на сушу с осадками. Геотектонические изменения, процессы опускания материков и поднятия морского дна, перемещения морей и океанов в течение длительного времени приводят к тому, что эти напластования возвращаются на сушу и процесс начинается вновь.
• малый (биотический) - (часть большого), происходит на уровне экосистемы и состоит в том, что питательные вещества, вода и углерод аккумулируются в веществе растений, расходуются на построение тела и на жизненные процессы как самих этих растений, так и других организмов (как правило животных), которые поедают эти растения (консументы). Продукты распада органического вещества под действием деструкторов и микроорганизмов (бактерии, грибы, черви) вновь разлагаются до минеральных компонентов, доступных растениям и вовлекаемых ими в потоки вещества.

которые в совокупности называются биогеохимическим циклом. В такие циклы вовлечены практически все химические элементы и прежде всего те, которые участвуют в построении живой клетки, например, тела человека, которое состоит из кислорода (62,8%), углерода (19,37%), водорода (9,31%), азота (5,14%), кальция (1,38%), фосфора (0,64%) и ещё примерно из 30 элементов.

Круговорот углерода - самый интенсивный биогеохимический цикл. В природе углерод существует в двух основных формах – в карбонатах (известняк, мел, мрамор [CaCO3]) и органических полезных ископаемых (нефть, уголь, природный газ). Все эти вещества обладают низкой химической активностью и потому лишь в очень незначительной степени используются живыми организмами. В биотическом круговороте участвуют преимущественно лишь те части углерода, которые находятся в атмосфере, гидросфере и живых организмах.

В атмосферном воздухе  углерод содержится в виде углекислого  газа, на долю которого приходится 0,03%. Последний поглощается растениями и идет на образование органического  вещества в процессе фотосинтеза. Растения поедаются растительноядными животными, в организме которых углерод  в составе органических соединений проходит по цепи обменных реакций. Часть  его накапливается в их организме, часть удаляется с продуктами жизнедеятельности. Углекислый газ  выделяется в процессе дыхания животных и растений. Погибшие растения и  животные подвергаются воздействию  микроорганизмов-редуцентов (бактерии, грибы), которые разлагая их, переводят углеродсодержащие вещества в углекислый газ, который вновь возвращается в атмосферу. При этом в биотический круговорот возвращается метан (СН₄), вода и соединения азота (NH₄, CO(NH₂)₂, NO₂, NO₃). Огромное количество метана выделяют метановые бактерии, которые обитают в почве и болотах. Кроме того, запасы углерода в атмосфере пополняются за счет вулканической деятельности и сжигания человеком горючих ископаемых.

Основная часть поступающего в атмосферу диоксида углерода поглощается  океанами и морями (поскольку он хорошо растворяется в воде)

СО₂ + Н₂0 --> Н₂СО₃ --> Н⁺ + НСО₃^-  
и откладывается в виде нерастворимого в воде карбоната кальция после соединения карбонат-иона (НСО₃^- ) с кальцием

Са₂₊ + НСО₃^- --> Са₂СО₃ + Н⁺

Карбонат кальция выпадает в донные отложения водоемов. Он также поглощается водными организмами  и используется ими для постройки  раковинок (моллюски) или внешних покровов тела (ракообразные). Обыкновенный мел образован слежавшимися остатками раковинок ископаемых моллюсков. Таким образом доля излишнего СО₂ поглощается Мировым океаном и выводится из биотическогo круговорота. Однако способность Мирового океана к поглощению избытка СО₂ не безгранична и, как считается, в настоящее время близка к исчерпанию. Соответственно атмосферная часть СО₂ медленно, но неуклонно повышается. По данным расчетов  в 2025 году в атмосферу Земли будет выпущено 26 млрд. тонн углерода в составе углекислого газа, что соответствует ежегодному приросту 3,4%.

Круговорот кислорода тесно взаимосвязан с круговоротом углерода поскольку оба элемента входят в состав углекислого газа и являются важнейшими компонентами всех органических соединений - углеводов, жиров и белков, нуклеиновых кислот, макроэргических соединений.

В количественном отношении  главной составляющей живой материи  является кислород, круговорот которого осложнён его способностью вступать в различные химические реакции, главным образом реакции окисления. В результате возникает множество локальных циклов, происходящих между атмосферой, гидросферой и литосферой.

Кислород, содержащийся в  атмосфере, имеет биогенное происхождение  и рассматривается как продукт  фотосинтеза, который поддерживает его содержание в атмосфере около 21% Кроме того, большое количество кислорода содержится в самых распространенных минералах земной коры - песчаных породах (SiO₂), железных (Fe₂O₃) и алюминиевых (Al₂O₃) рудах, которое, однако, не участвует в биотическом круговороте, т.к. эти вещества обладают низкой химической активностью и потому лишь в очень незначительной степени используются живыми организмами. В биотическом круговороте участвуют преимущественно лишь те части кислорода, которые, как и углерод, находятся в атмосфере, гидросфере и живых организмах.

Свободный кислород используется для дыхания всеми аэробными  микроорганизмами и идет на окисление  органических веществ в результате чего выделяется конечный продукт окисления - углекислый газ. В составе углекислого газа кислород возвращается во внешнюю среду и этот его круговорот обеспечивает круговорот всех биогенных элементов, так как освобождение энергии из органических и неорганических соединений сопровождается расщеплением их в ходе окислительных реакций. В некотором отношении круговорот кислорода напоминает обратный круговорот углекислого газа.

Отметим, что, начиная с  определённой концентрации, кислород очень токсичен для клеток и тканей (даже у аэробных организмов). А живой  анаэробный организм не может выдержать (это было доказано ещё в прошлом  веке Л. Пастером) концентрацию кислорода, превышающую атмосферную на 1%.

Потребление атмосферного кислорода  и его возмещение растениями в  процессе фотосинтеза осуществляется довольно быстро. Расчёты показывают, что для полного обновления всего  атмосферного кислорода требуется  около двух тысяч лет. С другой стороны, для того, чтобы все молекулы воды гидросферы были подвергнуты фотолизу и вновь синтезированы живыми организмами, необходимо два миллиона лет.

Часть кислорода, поступающего в атмосферу может фиксироваться литосферой в виде карбонатов, сульфатов, оксида железа, остальная часть циркулирует в биосфере в виде газов или сульфатов, растворенных в океанических и континентальных водах.

Таким образом, круговорот углерода и кислорода взаимосвязаны процессами фотосинтеза и дыхания: при фотосинтезе углекислый газ поглощается (фиксируется организмами), а углерод, содержащийся в нем используется для образования органических веществ при участии воды, света и фотосинтетических пигментов. Выделяющийся кислород образуется при расщеплении воды, а выделяющийся углекислый газ - за счет дыхания и разложения органических соединений.

Процессы фотосинтеза  с одной стороны, дыхания и  разложения органических соединений с  другой взаимно уравновешивают друг друга. Поэтому количество углерода и кислорода, участвующих в биотическом  круговороте остается достаточно постоянным. Вовлечение в эту систему углерода, образующегося в результате геологических  процессов (извержение вулканов, пожары и химическое взаимодействие с различными соединениями) незначительно, однако при  нарушении продукции и деструкции органического вещества возможны предпосылки  как для усиленного образования  органических полезных ископаемых (каменных углей, горючих сланцев и т.д.), так и для замедления этого  процесса.

Антропогенные факторы (развитие промышленности, сжигание органического  топлива, войны, вспашка почвы при  ведении сельского хозяйства, сокращение площади лесов - тропических лесов  Амазонской низменности, Тропической  Африки и Юго-Восточной Азии, являющихся основными производителями кислорода  на планете и пр.) могут более  выраженно нарушать равновесие между  этими биотическими элементами. За последние 100 лет, пусть и незначительно, но содержание кислорода в атмосфере понижается. Это не представляет опасности для дыхания живых организмов ни сейчас, ни в отдаленном будущем, однако приводит к уменьшению содержания озона в верхних слоях атмосферы ("озоновые дыры"), что способствует увеличению потока жесткого ультрафиолетового излучения, достигающего поверхности Земли.

Повышение концентрации СО₂ в атмосфере вызывает парниковый эффект. Он обусловлен тем, что СО₂ и другие парниковые газы, например, метан, препятствует тепловому потоку, излучаемому нагретой солнечными лучами земной поверхностью уходить в космическое пространство. Это приводит к постоянному повышению температуры надземного слоя атмосферы и пока к очень медленному (до 1-2 мм в год) повышению уровня Мирового океана, значительному сокращению площади вечных льдов Северного Ледовитого океана, отступлению на север кромки арктических льдов и южных границ зон тундры и лесотундры.

С другой стороны повышение  содержания пыли, дымов и других твердых загрязнителей в атмосфере  может снизить температуру приземных  слоев атмосферы, поскольку пыль отражает солнечные лучи в космическое  пространство, что уменьшает нагрев ими земной поверхности (эффект зеркала). Математическое моделирование последствий  военного конфликта даже с ограниченным применением ядерного оружия показало, что задымление и запыление атмосферы  может привести к понижению средней  температуры на поверхности Земли  на 5-6°С, что вызовет наступление нового ледникового периода ("ядерная зима").

От того, какой из возможных  сценариев развития атмосферных  процессов ("всемирный потоп" или "ледниковый период") может реализоваться  в результате вмешательства человека, во многом зависит будущее человечества.

Круговорот азота.   Азот является одним из основных биогенных элементов, входящий в состав белков. В живых организмах содержится в среднем 3% азота. На Земле запасы азота огромны. Только в атмосфере его содержание по объему составляет 79%.

Газообразный азот возникает  в результате реакции окисления  аммиака, образующегося при извержении вулканов (это ювенильный азот, который  ранее не входил в состав биосферы) и разложении биологических отходов. Однако в свободном состоянии  он не усваивается ни высшими растениями, ни животными. Молекулярный азот обладает очень слабой реакционной способностью, он не ядовит, но и не поддерживает жизненных  процессов. Само название "азот" в переводе с древнегреческого означает "безжизненный" (а - отрицательная частицы, "зоон" - жизнь).

Эукариоты могут использовать только "связанный азот", входящий в состав неорганических и органических веществ, таких как аммиак (NH₄), нитриты (NО₂^-) и нитраты (NО₃^-), а также белков.

В органические соединения свободный (молекулярный) азот переводят  азотфиксирующие бактерии и сине-зеленые  водоросли. Кроме того, незначительная часть свободного азота под действием электрических разрядов в атмосфере может превращаться в соединении с водой в азотистую и азотную кислоты. Последние, поступая в почву, образуют соли. В связанном состоянии азот (в виде нитрат-ионов (NО₃^-) и ионов аммония (NH₄⁺)) усваивается растениями [показать] и используется для синтеза белков.