Круговорот веществ в природе

Круговорот веществ в природе

Основных круговоротов веществ в природе два: большой (геологический) и малыйбиогеохимический).

Большой круговорот веществ в природе (геологиче­ский) обусловлен взаимодействием солнечной энергии с глу­бинной энергией Земли и осуществляет перераспределение ве­щества между биосферой и более глубокими горизонтами Зем­ли.

Осадочные горные породы, образованные за счет вывет­ривания магматических пород, в подвижных зонах земной коры вновь погружаются в зону высоких температур и дав­лений. Там они переплавляются и образуют магму — источ­ник новых магматических пород. После поднятия этих по­род на земную поверхность и действия процессов выветри­вания вновь происходит трансформация их в новые осадоч­ные породы. Символом круговорота веществ явля­ется спираль, а не круг. Это означает, что новый цикл круговорота не повторяет в точности старый, а вносит что-то но­вое, что со временем приводит к весьма значительным из­менениям.

Большой круговорот — это круговорот воды между су­шей и океаном через атмосферу. Влага, испарившаяся с по­верхности Мирового океана (на что затрачивается почти поло­вина поступающей к поверхности Земли солнечной энергии), переносится на сушу, где выпадает в виде осадков, которые вновь возвращаются в океан в виде поверхностного и подзем­ного стока. Круговорот воды происходит и по более простой схеме: испарение влаги с поверхности океана — конденсация водяного пара — выпадение осадков на эту же водную поверх­ность океана.

Подсчитано, что в круговороте воды на Земле ежегодно участвует более 500 тыс. км3 воды.

Круговорот воды в целом играет основную роль в форми­ровании природных условий на нашей планете. С учетом транс-пирации воды растениями и поглощения ее в биогеохимиче­ском цикле, весь запас воды на Земле распадается и восста­навливается за 2 млн лет

Малый круговорот веществ в биосфере (биогеохими­ческий), в отличие от большого, совершается лишь в преде­лах биосферы. Сущность его в образовании живого вещества из неорганических соединений в процессе фотосинтеза и в пре­вращении органического вещества при разложении вновь в не­органические соединения.

Этот круговорот для жизни биосферы — главный, и он сам является порождением жизни. Изменяясь, рождаясь и умирая, живое вещество поддерживает жизнь на нашей пла­нете, обеспечивая биогеохимический круговорот веществ.

Главным источником энергии круговорота является сол­нечная радиация, которая порождает фотосинтез. Эта энер­ гия довольно неравномерно распределяется по поверхности земного шара. Например, на экваторе количество тепла, при­ходящееся на единицу площади, в три раза больше, чем на Архипелаге Шпицберген (80° с.ш). Кроме того, она теряется пУтем отражения, поглощается почвой, расходуется на транспирацию воды и т. д. (рис. 6.8) а, как мы уже отмечали, на фотосинтез тратится не более 5% от всей энергии, но чаще всего 2—3%.

В ряде экосистем перенос вещества и энергии осуществ­ляется преимущественно посредством трофических цепей.

Такой круговорот обычно называют биологическим. Он предполагает замкнутый цикл веществ, много­кратно используемый трофической цепью. Безусловно, он может иметь место в водных экосистемах, особенно в планктоне с его интенсивным метаболизмом, но не в наземных экосистемах, за исключением дождевых тропических лесов, где может быть обеспечена передача питательных веществ «от растения к растению», корни которых на поверхности поч­вы.

Однако в масштабах всей биосферы такой круговорот невозможен. Здесь действует биогеохимический круговорот, представляющий собой обмен макро- и микроэлементов и простых неорганических веществ (С02, Н20) с веществом атмосферы, гидросферы и литосферы. Круговорот отдель­ных веществ В. И. Вернадский назвал биогеохимическими циклами. Суть цикла в следующем: химические элементы, поглощенные организмом, впоследствии его покидают, ухо­дя в абиотическую среду, затем, через какое-то время, сно­ва попадают в живой организм, и т. д. Такие элементы на­зывают биофильными. Этими циклами и круговоротом в це­лом обеспечиваются важнейшие функции живого вещест­ва в биосфере. В. И. Вернадский выделяет пять таких функций:

первая функция — газовая — основные газы атмосферы Зем­ли, азот и кислород, биогенного происхождения, как и все подземные газы — продукт разложения отмершей органи­ки;

вторая функция — концентрационная — организмы накап­ливают в своих телах многие химические элементы, среди которых на первом месте стоит углерод, среди металлов — первый кальций, концентраторами кремния являются диа­томовые водоросли, йода — водоросли (ламинария), фос­фора — скелеты позвоночных животных;

~~ третья функция — окислительно-восстановительная — ор­ганизмы, обитающие в водоемах, регулируют кислородный режим и создают условия для растворения или же осажде­ния ряда металлов (V, Mn , Fe ) и неметаллов ( S ) с перемен­ной валентностью;

четвертая функция — биохимическая — размножение, рост и перемещение в пространстве («расползание») живого ве­щества;

— пятая функция — биогеохимическая деятельность челове­ка — охватывает все разрастающееся количество веществ земной коры, в том числе таких концентраторов углерода, как уголь, нефть, газ и другие, для хозяйственных и быто­вых нужд человека.

В биогеохимических круговоротах следует различать две части, или как бы два среза: 1) резервный фонд — это огром­ная масса движущихся веществ, не связанных с организма­ми; 2) обменный фонд — значительно меньший, но весьма активный, обусловленный прямым обменом биогенным ве­ществом между организмами и их непосредственным окру­жением. Если же рассматривать биосферу в целом, то в ней можно выделить: 1) круговорот газообразных веществ с ре­зервным фондом в атмосфере и гидросфере (океан) и 2) оса­дочный цикл с резервным фондом в земной коре (в геологи­ческом круговороте).

В связи с этим следует отметить лишь один-единствен­ный на Земле процесс, который не тратит, а, наоборот, свя­зывает солнечную энергию и даже накапливает ее — это соз­дание органического вещества в результате фотосинтеза. В свя­зывании и запасании солнечной энергии и заключается основ­ная планетарная функция живого вещества на Земле.

 

 

 

 

 

Круговорот углерода.

 

 

 

 

Круговорот кислорода

Круговорот азота

Круговорот фосфора

Круговорот серы.

Круговорот углерода

От свойств и особенностей углерода зависит все многообразие органических веществ, биохимических процессов и жизненных форм на Земле. Содержание углерода в большинстве живых организмов составляет около 45 % от сухой их биомассы. В круговороте органического вещества и всего углерода Земли участвует все живое вещество планеты, которое непрерывно возникает, видоизменяется, погибает, разлагается и в такой последовательности происходит перенос углерода с одного органического вещества на построение другого по цепи питания. Кроме того, все живое дышит, выделяя углекислый газ.

Круговорот углерода на суше. Круговорот углерода поддерживается благодаря фотосинтезу наземными растениями и океанским фитопланктоном. Поглощая углекислоту (фиксируя неорганический углерод), растения с помощью энергии солнечного света преобразуют ее в органические соединения - создавая свою биомассу. Ночью же растения, как и все живое, дышат, выделяя углекислый газ.

Большая часть первичной продукции - биомассы растительности (содержащей органический углерод) - поедается растительноядными животными, которые строят свою биомассу, содержащую органический углерод, далее в свою очередь поедаемые организмами следующих звеньев сложных трофических цепей, образованных консументами второго, третьего и т.д. порядков. Организмы каждого трофического уровня используют энергию, заключенную в веществах тела своих жертв или хозяев (паразиты) и выделяют в атмосферу углекислый газ, образующийся в процессе дыхания.

Отмершие растения, трупы и экскременты животных служат пищей для многочисленных гетеротрофных организмов (животных, растений-сапрофитов, грибов, микроорганизмов). Все эти организмы обитают в основном в почве и в процессе жизнедеятельности создают свою биомассу, в состав которой входит органический углерод. Они также выделяют углекислый газ, создавая «почвенное дыхание». Часто мертвое органическое вещество не полностью разлагается и в почвах накапливается гумус (перегной), играющий важную роль в плодородии почв. Степень минерализации и гумификации органических веществ зависит от многих факторов: влажности, температуры, физических свойств почвы, состава органических остатков и т.д. Под действием бактерий и грибов гумус может разлагаться до углекислоты и минеральных соединений.

Круговорот углерода в Мировом океане. Круговорот углерода в океане отличается от круговорота на суше. В океане слабое звено организмов высших трофических уровней, следовательно, и все звенья круговорота углерода. Время прохождения углерода через трофическое звено океана непродолжительно, а количество выделяемого углекислого газа незначительно.

Океан выполняет роль основного регулятора содержания углекислого газа в атмосфере. Между океаном и атмосферой происходит интенсивный обмен углекислого газа. Воды океана имеют большую растворяющую способность и буферную емкость. Система, состоящая из угольной кислоты и ее солей (карбонатов) является своеобразным депо углекислоты, связана с атмосферой через диффузию СО? из воды в атмосферу и обратно.

В океане днем интенсивно протекает фотосинтез фитопланктона, при этом свободная углекислота усиленно расходуется, карбонаты служат дополнительным источником ее образования. Ночью при увеличении содержания свободной кислоты за счет дыхания животных и растений значительная ее часть снова входит в состав карбонатов. Происходящие процессы идут в направлениях: живое вещество? СО?? Н?СО?? Са(НСО?)?? СаСО?.

В природе некоторое количество органического вещества не подвергается минерализации в результате недостатка кислорода, большой кислотности среды, специфических условий захоронения и т.д. Часть углерода выходит из биологического круговорота в виде неорганических (известняки, мел, кораллы) и органических (сланцы, нефть, уголь) отложений.

Деятельность человека вносит существенные изменения в круговорот углерода на нашей планете. Изменяются ландшафты, типы растительности, биоценозы и их пищевые цепи, осушаются или орошаются огромные площади поверхности суши, улучшается (или ухудшается) плодородие почв, вносятся удобрения и пестициды и т.д. Наиболее опасно поступление углекислого газа в атмосферу в результате сжигания топлива. При этом увеличивается скорость круговорота углерода и укорачивается его цикл.

Круговорот кислорода

 

Кислород является обязательным условием существования жизни на Земле. Он входит практически во все биологические соединения, участвует в биохимических реакциях окисления органических веществ, обеспечивающих энергией все процессы жизнедеятельности организмов биосферы. Кислород обеспечивает дыхание животных, растений и микроорганизмов в атмосфере, почве, воде, участвует в химических реакциях окисления, происходящих в горных породах, почвах, илах, водоносных горизонтах.

Основные ветви круговорота кислорода:

- образование свободного кислорода  при фотосинтезе и его поглощение  в процессе дыхания живых организмов (растений, животных, микроорганизмов  в атмосфере, почве, воде);

- образование озонового экрана;

- создание окислительно-восстановительных зональностей;

- окисление окиси углерода при  извержении вулканов, накопление  сульфатных осадочных пород, расход  кислорода в человеческой деятельности  и т.д.; везде участвует молекулярный  кислород фотосинтеза.

 

Круговорот азота

 

Азот входит в состав биологически важных органических веществ всех живых организмов: белков, нуклеиновых кислот, липопротеидов, ферментов, хлорофилла и т.д. Несмотря на содержание азот (79 %) в составе воздуха, он является дефицитным для живых организмов.

 

Азот в биосфере находится в недоступной для организмов газообразной форме (N2) - химически мало активной, поэтому он не может непосредственно использоваться высшими растениями (и большинством низших растений) и животным миром. Растения усваивают азот из почвы в виде ионов аммония или нитратных ионов , т.е. так называемый фиксированный азот.

Различают атмосферную, промышленную и биологическую фиксации азота.

Атмосферная фиксация происходит при ионизации атмосферы космическими лучами и при сильных электрических разрядах во время гроз, при этом из молекулярного азота воздуха образуются оксиды азота и аммиака, которые благодаря атмосферным осадкам превращаются в аммонийный , нитритный , нитратный азот и попадают в почву и водные бассейны.

Промышленная фиксация происходит в результате хозяйственной деятельности человека. Атмосфера загрязняется соединениями азота заводами, производящими азотные соединения. Горячие выбросы ТЭЦ, заводов, космических аппаратов, сверхзвуковых самолетов окисляют азот воздуха. Оксиды азота, взаимодействуя с парами воды воздуха с осадками возвращаются на землю, попадают в почву в ионной форме.

Биологическая фиксация играет основную роль в круговороте азота. Ее осуществляют почвенные бактерии:

) азотфиксирующие бактерии (и сине-зеленые водоросли);

) микроорганизмы, живущие в симбиозе  с высшими растениями (клубеньковые  бактерии);

) аммонифицирующие;

) нитрифицирующие;

) денитрифицирующие.

Свободно живущие в почве азотфиксирующие аэробные (существующие в присутствии кислорода) бактерии (Azotobacter) способны осуществлять фиксацию молекулярного азота атмосферы за счет энергии, получаемой при окислении органических веществ почвы в процессе дыхания, в конечном итоге связывая его с водородом и вводя в виде аминогруппы (-NH2) в состав аминокислот своего тела. Молекулярный азот способен фиксировать и некоторые анаэробные (живущие в отсутствие кислорода) бактерии, существующие в почве (Clostridium). Отмирая, и те и другие микроорганизмы обогащают почву органическим азотом.

К биологической фиксации молекулярного азота способны и сине-зеленые водоросли, особенно важные для почв рисовых полей.