Биогеохимические циклы

БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ  ЦИКЛЫ 

 

В биосфере во времени  постоянно протекают два взаимосвязанных  процесса преобразования веществ в природе – геологический и биологический круговороты, производящие все химические вещества.

Геологический (большой) круговорот – обмен химических элементов между океаном и сушей в результате разрушения изверженных горных пород, растворения их в воде, физико-химических превращений и образования минералов при испарении воды от энергии Солнца.

Биологический (малый) круговорот – циркуляция веществ между растениями, животным миром, микроорганизмами и почвой. Основа его – фотосинтез, т.е. превращение зелеными растениями и особыми микроорганизмами лучистой энергии Солнца в энергию химических связей органических веществ. Фотосинтез обусловил появление на Земле кислорода при помощи зеленых организмов, озонового слоя и условий для биологической эволюции.

В результате фотосинтеза ежегодно образуются 145 млрд.т кислорода, более 100 млрд. т органических веществ и усваиваются 200 млрд. т углекислого газа. Кислород совершает полный оборот через организмы за 2000 лет, углекислота – за 300 и вода – за 2 млн. лет.

Растения благодаря фотосинтезу  выделяют кислород и создают органическое вещество, поглощая минеральные вещества из почвы и углекислый газ из воздуха. Животные кормятся растениями и поглощают кислород, выделяя углекислоту. Микроорганизмы превращают мертвое органическое вещество в неорганическое, которым пользуются растения.

Существуют слабые биосферные связи, которые характеризуются большой  силой влияния: электромагнитные поля Земли, солнечная активность, биоинформационное воздействие.

Первые формы жизни  на Земле были анаэробными (жившими  без кислорода). Свободный кислород современной атмосферы является продуктом процессафотосинтеза зеленых растений – реакции протекающей за счет энергии солнечных лучей при участии хлорофилла зеленых растений,  при котором из воды и углекислоты синтезируется органическое вещество и выделяется свободный кислород, который и заполнил атмосферу.                  

m СО₂ + n H₂O + энергия = С_mH_nO_k + n O₂

В результате фотосинтеза  образуются различные органические соединения, простейшим из которых  является глюкоза (C₆H₁₂0₆). В общий круговорот материи, связанной с построением органического вещества, вовлекаются и другие элементы, входящие в состав живого:  N, P, S, K, Ca, Al, Na, Ag. Продуктивность планетарного фотосинтеза может быть выражена количеством воды и углекислого газа, потребляемым растениями земного шара в течение года. Ученые рассчитали, что за 10 млн. лет в фотосинтез включается масса воды, равная объему всей гидросферы. В течение примерно 7 лет растения поглощают количество углекислоты, равное его объему в атмосфере. В течение 3000-4000 лет обновляется весь кислород атмосферы.

При гибели организма  происходит обратный процесс – разложение органического вещества путем окисления, гниения до углекислого газа и воды. Небольшая часть углекислоты почвы фиксируется микроорганизмами, не содержащими хлорофилл (хемосинтез). Некоторые виды бактерий способны окислять аммиак до солей азотной кислоты с выделением энергии и использовать ее для синтеза органических веществ из углекислоты, воды, кислорода, минеральных соединений почвы.

Живое вещество состоит  из множества химических элементов. Из них преобладают три: кислород (70 %), углерод (18 %) и водород (10 %).  На долю азота, натрия, фосфора, магния, кремния, серы, калия, железа и хлора падает 1,5 %. На все остальные элементы системы Менделеева приходится менее 0,5 %.

Все химические элементы, в том числе и искусственно созданные, обычно циркулируют в биосфере по характерным путям.

В большей или меньшей  степени замкнутые пути прохождения  элементов из внешней среды в  организмы и опять во внешнюю  среду называютсябиогеохимическими циклами. "Био" относится здесь к живым организмам, а "гео" – к горным породам, воздуху и воде.

Перемещение необходимых  для жизни элементов и неорганических соединений можно назвать круговоротом элементов питания.

Движение в циклах не всегда бывает равномерным, существуют пункты сосредоточения (фонды), в которых элементы задерживаются на более или менее длительное время. Поэтому в каждом круговороте можно выделить:

- резервный фонд – большая масса медленно движущихся веществ, в основном небиологический компонент;

- подвижный (обменный) фонд – меньший, но более активный, для которого характерен быстрый обмен веществ между организмами и их непосредственным окружением.

Любой атом, находящийся в резервном  фонде, не обязательно все время  недоступен для организмов, так как  между резервным и обменным фондами  существует постоянный обмен как за счет естественных процессов (извержения вулканов, пожары и др.), так и за счет деятельности человека (сжигание топлива, применение минеральных удобрений, искусственное орошение и др.).

Основными биогеохимическими циклами  являются циклы воды, углерода, кислорода, водорода, азота, фосфора и серы. Все циклы неразрывно связаны друг с другом и составляют в целом биосферу.

Круговорот воды. Вода – наиболее важная часть тела живых существ. В теле человека она составляет 60 % по весу, а в растительном организме достигает 95 %. В процессе круговорота происходит накопление, очистка и перераспределение планетарного запаса воды. Под действием солнечной энергии и сил земного притяжения вода непрерывно перемещается между океанами, атмосферой, сушей и живыми организмами. Важнейшими процессами этого круговорота являются испарение, конденсация, осадки и сток вод обратно в море для возобновления цикла. Человек может вмешиваться в круговорот воды двумя способами:

– забирая большое количество пресной  воды из рек, озер и водоносных горизонтов, тем самым истощая запас грунтовых вод и открывая доступ океанической соленой воде в подземные водоносные горизонты;

– уничтожая растительный покров суши в интересах развития сельского  хозяйства, при добыче полезных ископаемых, строительстве жилья, дорог и других видах деятельности, что приводит к уменьшению просачивания поверхностных вод под землю, что, в свою очередь, сокращает пополнение запасов грунтовых вод, увеличивает риск наводнений, повышает интенсивность поверхностного стока, усиливая эрозию почв.

Круговорот  азота. Азот составляет около 80% атмосферного воздуха. Однако большинство организмов не могут усваивать азот из воздуха. Между тем азот участвует в построении белков и нуклеиновых кислот (ДНК). Большинству зеленых растений требуется азот в форме нитрат – ионов (NO₃^-) и ионов аммония (NH₄⁺). Газообразный азот, составляющий 78 % объема земной атмосферы, не может непосредственно использоваться живыми организмами. Но он может преобразовываться в растворимые в воде соединения, содержащие ионы NO₃^- и NH₄⁺, которые и усваиваются корнями растений.

В результате деятельности человека в круговорот включается азот, образующийся при сжигании топлива, выделяемый при добыче полезных ископаемых для производства минеральных удобрений, попадающий в окружающую среду со стоками животноводческих ферм и при удобрении сельскохозяйственных полей, что приводит к увеличению нитратов и нитритов в сельскохозяйственных культурах и делает их опасными для человека. Попадающие в водные объекты азотные соединения приводят к  их эфтрификации, т.е. бурному зарастанию, обескисложиванию, появлению сине-зеленых водорослей и, в дальнейшем, к их заболачиванию 

Круговорот  фосфора. Фосфор, главным образом в виде фосфат – ионов (РО₄^3- и НРО₄^2-), является важным питательным элементом как для растений, так и для животных. Он входит в состав молекул ДНК, несущих генетическую информацию; молекул АТФ и АДФ, в которых запасается необходимая для организмов химическая энергия, используемая при клеточном дыхании; молекул жиров, образующих клеточные мембраны в растительных и животных клетках; а также веществ, входящих в состав костей и зубов животных. Фосфор, высвобождаемый при медленном разрушении (или выветривании) фосфатных руд, растворяется почвенной влагой и поглощается корнями растений. Фосфатные соединения очень плохо растворяются в воде и встречаются лишь в определенных типах горных пород. Таким образом, во многих почвах и водных экосистемах содержание фосфора является лимитирующим фактором роста растений.

Животные получают необходимый  им фосфор, поедая растения или других растительноядных животных. Значительная часть этого фосфора в виде экскрементов животных и продуктов разложения мертвых животных и растений возвращается в почву, в реки и, в конце концов, на дно океана в виде нерастворимых фосфатных осадочных пород.

Часть фосфора возвращается на поверхность суши в виде гуано  — обогащенной фосфором органической массы экскрементов питающихся рыбой птиц (пеликанов, олуш, бакланов и т.п.). Однако несравнимо большее количество фосфатов ежегодно смывается с поверхности суши в океан в результате природных процессов и антропогенной деятельности.

Вследствие геологических процессов, длящихся миллионы лет, могут подниматься и осушаться участки океанического дна, образуя острова или материки. Последующее выветривание обнажившихся горных пород приводит к высвобождению новых количеств фосфора и продолжению круговорота.

Вмешательство человека в круговорот фосфора сводится в основном к добыче больших количеств фосфатных руд для производства минеральных удобрений и моющих средств и избытку фосфат – ионов в водных экосистемах при попадании в них загрязненных стоков с животноводческих ферм, смытых с полей фосфатных удобрений, а также очищенных и неочищенных коммунально-бытовых стоков.

Круговорот  углерода. Углерод является основным строительным материалом молекул белков, жиров, нуклеиновых кислот (ДНК и РНК) и других важных для жизни органических соединений. Растения поглощают диоксид углерода IV (CO₂) из атмосферы и под действием солнечного света с помощью хлорофилла осуществляют фотосинтез сложных органических соединений, например сахаров.

В процессе клеточного метаболизма  молекулы сахара преобразуются в протеины, липиды и т.д. Эти различные вещества служат углеводным питанием животным, незеленым растениям и человеку. Для животных этот процесс осложняется необходимостью переваривания съеденной пищи, в процессе которого сложные молекулы, содержащие углерод, разлагаются до простых.

С другой стороны, все  организмы осуществляют клеточное  дыхание – процесс обратный фотосинтезу, то есть выбрасывают в атмосферу  углекислый газ.

Когда наступает смерть, то детритофаги и биоредуценты разлагают и минерализуют трупы, образуя цепи питания, в конце которых углерод вновь поступает в круговорот в форме углекислоты ("почвенное дыхание"). Детритофаги превращают животные и растительные остатки в новые органические соединения (гумус). Грибы и бактерии разлагают гумус с выделением углекислого газа. При недостатке воздуха, а также, высокой кислотности, детритофаги не могут функционировать, и органические остатки накапливаются в виде торфа и образуют торфяные болота. Это приостанавливает круговорот.

В далекие геологические эпохи значительная часть фотосинтезированного органического вещества, не использованная консументами и редуцентами, накапливалась, погребаясь под минеральными осадками. За миллионы лет под действием высоких температур и давлений это вещество превратилось в нефть, газ и уголь, в зависимости от исходного материала, продолжительности и условий пребывания в земле. При сжигании их в качестве топлива накопившийся углерод вновь превращается в CO₂. При неполном сгорании топлива в атмосферу могут выбрасываться окись углерода CO (угарный газ), сажа C и другие углеродсодержащие соединения (альдегиды, бензапирен и др.). Они могут непосредственно вступать во взаимодействие с живым веществом, разрушая и отравляя его.

В воде также происходит замедление круговорота углерода, так как углерод, помимо фотосинтеза водорослями, накапливается в составе CaCO₃ (мел, известняк, кораллы) химического или биогенного происхождения. Эти массы углерода остаются вне круговорота в течение целых геологических периодов, пока CaCO₃ в виде горных цепей не поднимается над поверхностью моря. С этого момента начинается выщелачивание известняка атмосферными осадками, а также под действием корней растений.

Углерод горных пород  может быть также высвобожден  в результате человеческой деятельности (добыче полезных ископаемых, разложении под действием кислотных дождей и др.). Так разрушаются мраморные памятники архитектуры, простоявшие несколько тысячелетий (Акрополь, Колизей и др.).

Круговорот  второстепенных элементов. Второстепенные элементы также мигрируют между организмами и средой. Но в окружающую среду часто попадают побочные продукты промышленности, содержащие тяжелые металлы, радиоактивные элементы, токсичные органические соединения и др. Попадая вбиосферу они могут мигрировать из атмосферы в воду, из нее в почву и через пищевые цепи попадать организмы и человека, приводя к различным заболеваниям.