В отличие от большого, малый круговорот веществ 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.
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.
Выделяют следующие основные геохимические функции живого вещества.
1. Энергетическая (биохимическая) – связывание и запасание солнечной энергии в органическом веществе и последующее рассеяние энергии при потреблении и минерализации органического вещества. Эта функция связана с питанием, дыханием, размножением и другими процессами жизнедеятельности организмов. Основной источник биогеохимической активности организмов – солнечная энергия, используемая в процессе фотосинтеза зелеными растениями и некоторыми микроорганизмами для создания органического вещества, обеспечивающего пищей и энергией все остальные организмы.
2. Газовая – способность изменять и поддерживать определенный газовый состав среды обитания и атмосферы в целом. В частности, включение углерода в процессы фотосинтеза, а затем в цепи питания обусловило аккумуляцию его в биогенном веществе (органические остатки, известняки и т.п.). В результате этого шло постепенное уменьшение содержания углерода и его соединений, прежде всего двуокиси, в атмосфере с десятков процентов до современных 0,03 %. Это же относится и к накоплению в атмосфере кислорода, образованию озона и другим процессам. С газовой функцией живого вещества связаны два переломных периода (точки) в развитии биосферы. Первая из них относится ко времени, когда содержание кислорода в атмосфере достигло примерно 1 % от современного уровня (первая точка Пастера). Это обусловило появление первых аэробных организмов (способных жить только в среде, содержащей кислород). С этого времени восстановительные процессы в биосфере стали дополняться окислительными. Это произошло примерно 1,2 млрд лет назад. Второй переломный период связывают со временем, когда концентрация кислорода достигла примерно 10 % от современной (вторая точка Пастера). Это создало условия для синтеза озона и образования озонового слоя в верхних слоях атмосферы, что обусловило возможность освоения организмами суши (до этого функцию защиты организмов от губительных ультрафиолетовых лучей выполняла вода, под слоем которой возможна была жизнь).
3. Концентрационная – «захват» из окружающей среды живыми организмами и накопление в них (в большей степени, чем в окружающей среде) атомов биогенных химических элементов. Питание, дыхание и размножение организмов и связанные с ними процессы создания, накопления и распада органического вещества обеспечивают постоянный круговорот вещества и энергии. С этим круговоротом связана миграция атомов химических элементов (прежде всего, биогенных – С, Н, О, N, Р, S, Fe, Mg, Ca, Na, K, Mo, Mn, Cu, Zn и др.). В ходе биогеохимических циклов атомы большинства химических элементов проходили через живое вещество бесчисленное число раз. Так, например, весь кислород атмосферы оборачивается через живое вещество за 2000 лет, углекислый газ – за 200...300 лет, а вся вода биосферы – за 2 млн лет. Разные организмы в разной степени способны аккумулировать из среды обитания различные элементы, например, железобактерии накапливают железо; простейшие фораминиферы, а также многие моллюски и кишечнополостные – кальций; хвощи, диатомовые водоросли, радиолярии и др. – кремний; губки – йод; асцидии – ванадий и т.д. Концентрационная способность живого вещества повышает содержание атомов химических элементов в организмах по сравнению с окружающей средой на несколько порядков. Содержание углерода в растениях в 200 раз, а азота в 30 раз превышает их уровень в земной коре. Содержание марганца в некоторых бактериях может быть в миллионы раз больше, чем в окружающей среде. Результат концентрационной деятельности живого вещества – образование залежей горючих ископаемых, известняков, рудных месторождений и т.п.
4. Окислительно-восстановительная – окисление и восстановление различных веществ с помощью живых организмов. Под влиянием живых организмов происходит интенсивная миграция атомов элементов с переменной валентностью (Fe, Mn, Cr, S, P, N, W), создаются их новые соединения, происходит отложение сульфидов и минеральной серы, образование сероводорода и т.п.
5. Деструктивная – разрушение организмами и продуктами их жизнедеятельности, в т.ч. и после их смерти, как остатков органического вещества, так и косных веществ. Наиболее существенную роль в этом отношении играют редуценты (деструкторы) – сапротрофные грибы и бактерии.
6. Транспортная – перенос вещества и энергии в результате активной формы движения организмов. Такой перенос может осуществляться на огромные расстояния, например, при миграциях и кочевках животных. С транспортной функцией в значительной мере связана концентрационная роль сообществ организмов, например, в местах их скопления (птичьи базары и другие колониальные поселения).
7. Средообразующая – преобразование физико-химических параметров среды. Эта функция в значительной мере является интегральной, т.е. представляет результат совместного действия других функций. Она имеет разные масштабы проявления. Результатом средообразующей функции является и вся биосфера, и почва как одна из сред обитания, и более локальные структуры. К средообразующим свойствам растительного покрова относятся: создание микроклимата, очистка воздуха и вод от загрязняющих веществ, усиление питания грунтовых вод, защита почв от эрозии и т.п.
8. Рассеивающая – функция, противоположная концентрационной – рассеивание веществ в окружающей среде. Она проявляется через трофическую и транспортную деятельность организмов. Например, рассеивание вещества при выделении организмами экскрементов, смене покровов и т.п. Железо гемоглобина крови рассеивается кровососущими насекомыми.
9. Информационная – накопление живыми организмами определенной информации, закрепление ее в наследственных структурах и передача последующим поколениям. Это – одно из проявлений адаптационных механизмов.
10. Биогеохимическая деятельность человека – превращение и перемещение веществ в результате человеческой деятельности для хозяйственных и бытовых нужд человека. Например, использование концентраторов углерода – нефти, угля, газа и др.
Таким образом, биосферу можно определить как сложную динамическую систему, осуществляющую улавливание, накопление и перенос энергии путем обмена веществ между живым веществом и окружающей средой.
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.
Являясь планетарной экосистемой, биосфера состоит из экосистем всех уровней, и первоочередное значение для ее гомеостаза имеют целостность и устойчивость природных экосистем. Таким образом, всеобщий гомеостаз биосферы зависит от стабильности биогеохимического круговорота вещества в природе. 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.
В экосистеме органические вещества синтезируются из неорганических автотрофами. Затем они потребляются гетеротрофами. В результате выделения в процессе жизнедеятельности или после гибели организмов органические вещества подвергаются минерализации, т.е. превращению в неорганические вещества, которые могут быть вновь использованы для синтеза автотрофных органических веществ.
В биогеохимических круговоротах различают две части:
1) резервный фонд – часть вещества, не связанная с живыми организмами;
2) обменный фонд – значительно меньшая часть вещества, связанная прямым обменом между организмами и их непосредственным окружением.
В зависимости от расположения резервного фонда биогеохимические круговороты делят на два типа:
1) круговороты газового типа с резервным фондов в атмосфере и гидросфере (круговороты углерода, кислорода, азота);
2) круговороты осадочного типа с резервным фондом в земной коре (круговороты кальция, фосфора, железа и др.).
Круговороты газового типа более совершенны, т.к. обладают большим обменным фондом и способны к быстрой саморегуляции. Круговороты осадочного типа менее совершенны, они более инертны, т.к. основная масса вещества содержится в резервном фонде земной коры в недоступном живым организмам виде. Они легко нарушаются от различного рода воздействий, и часть обмениваемого материала выходит из круговорота. Возвратиться в круговорот она может лишь в результате геологических процессов или путем извлечения живым веществом. Однако извлечь нужные живым организмам вещества из земной коры гораздо сложнее, чем из атмосферы.
На рис. 2.2, 2.3 и 2.4 приведены схемы круговоротов газового типа, а на рис. 2.5 – осадочного.
Интенсивность биологического круговорота в первую очередь определяется температурой окружающей среды и количеством воды. Так, например, биологический круговорот интенсивнее протекает во влажных тропических лесах, чем в тундре. Кроме того, в тундре биологические процессы протекают только в теплое время года.
Круговорот углерода. Основной биологический круговорот углерода протекает следующим образом. Продуценты улавливают углекислый газ из атмосферы и переводят его в органические вещества. Консументы поглощают углерод в виде органических веществ с телами продуцентов и консументов низших порядков. Редуценты минерализуют органические вещества и возвращают углерод в атмосферу в виде углекислого газа. В Мировом океане круговорот углерода усложнен тем, что часть углерода, содержащегося в мертвых организмах, опускается на дно и накапливается в осадочных породах. Эта часть углерода выключается из биологического круговорота и поступает в геологический круговорот веществ.
Геохимический цикл углерода, протекающий миллионы лет, начинается на суше, где происходит выветривание (химическое разрушение) горных пород – карбонатов (СаСО3) и силикатов (CaSiO3). Основное вещество, фигурирующее в этой реакции, – угольная кислота (H2СО3), которая образуется в почве в результате соединения углекислоты, выделяющейся при разложении органических остатков, и воды.
Взаимодействие угольной кислоты с карбонатами и силикатами приводит к образованию ионов кальция (Са2+) и бикарбоната, а также растворенного в воде кремнезема (SiO2). Все эти компоненты попадают в реки и выносятся в океан, где используются всевозможными морскими организмами для построения раковин, состоящих из СаСО3, и при этом СО2 снова выделяется в окружающую среду.
Главным резервуаром биологически связанного углерода являются леса. Они содержат до 500 млрд т этого элемента, что составляет 2/3 его запаса в атмосфере. Вмешательство человека в круговорот углерода (сжигание угля, нефти, дегумификация) приводит к возрастанию содержания СО2 в атмосфере и развитию парникового эффекта. Скорость круговорота СО2, т.е. время, за которое весь углекислый газ атмосферы проходит через живое вещество, составляет около 300 лет.
Рис. 2.2. Круговорот углерода в биосфере
Круговорот кислорода. Главным образом круговорот кислорода происходит между атмосферой и живыми организмами. В основном свободный кислород (О2) поступает в атмосферу в результате фотосинтеза зеленых растений, а потребляется в процессе дыхания животными, растениями и микроорганизмами и при минерализации органических остатков (см. рис. 2.3).
|
Незначительное количество кислорода образуется из воды и озона под воздействием ультрафиолетовой радиации. Большое количество кислорода расходуется на окислительные процессы в земной коре при извержении вулканов и т.д.
Основная доля кислорода (почти ¾) продуцируется растениями суши, остальная часть – фотосинтезирующими организмами Мирового океана. Скорость круговорота – около 2 тыс. лет.
Установлено, что на промышленные и бытовые нужды ежегодно расходуется 23 % кислорода, который образуется в процессе фотосинтеза, и эта цифра постоянно возрастает.
Круговорот азота. Запас азота (N2) в атмосфере огромен (78 % от ее объема). Однако растения поглощать свободный азот не могут, а только в связанной форме, в основном в виде NH4+ или NO3-. Свободный азот из атмосферы связывают азотфиксирующие бактерии и переводят его в доступные растениям формы. В растениях азот закрепляется в органическом веществе (в белках, нуклеиновых кислотах и пр.) и передается по цепям питания. После отмирания живых организмов, редуценты (деструкторы) минерализуют органические вещества и превращают их в аммонийные соединения, нитраты, нитриты, а также в свободный азот, который возвращается в атмосферу (см. рис. 2.4).
Рис. 2.4. Круговорот азота в биосфере
Нитраты и нитриты хорошо растворимы в воде и могут мигрировать в подземные воды и растения и передаваться по пищевым цепям. Если их количество излишне велико, что часто наблюдается при неправильном применении азотных удобрений, то происходит загрязнение вод и продуктов питания, и вызывает заболевания человека.
Круговорот фосфора. Примером биогеохимического цикла осадочного типа является круговорот фосфора. Фосфор – один из наиболее важных биогенных элементов. Он входит в состав нуклеиновых кислот, клеточных мембран, ферментов, костной ткани, дентина. Недостаток фосфора в почве ограничивает рост растений. Основная масса фосфора содержится в горных породах, образовавшихся в прошлые геологические эпохи. В биогеохимический круговорот фосфор включается в результате процессов выветривания фосфатных горных пород, а также вследствие минерализации продуктов жизнедеятельности и органических остатков растений и животных.
В наземных экосистемах растения извлекают фосфор из почвы (в основном в форме фосфатов – РО43-) и включают его в состав органических соединений (белков, нуклеиновых кислот, фосфолипидов и др.) или оставляют в неорганической форме. Далее фосфор передается по цепям питания. После отмирания живых организмов и с их выделениями фосфор возвращается в почву. При неправильном применении фосфорных удобрений, водной и ветровой эрозии почв большие количества фосфора удаляются из почвы. С одной стороны это приводит к перерасходу фосфорных удобрений и истощению запасов фосфорсодержащих руд (фосфоритов, апатитов и др.). С другой стороны, поступление из почв в водоемы больших количеств таких биогенных элементов как фосфор, азот, сера и др. вызывает бурное развитие сине-зеленых водорослей и др. водных растений («цветение воды») и эвтрофикацию (эвтрофирование) водоемов. Но большая часть фосфора уносится в море.
В водных экосистемах фосфор усваивается фитопланктоном и передается по трофической цепи вплоть до морских птиц. Их экскременты (гуано) либо сразу попадают назад в море, либо сначала накапливаются на берегу, а затем все равно смываются в море.
Рис. 2.5. Круговорот фосфора в биосфере
Из отмирающих морских животных, особенно рыб, фосфор снова попадает в море и в круговорот, но часть скелетов рыб достигает больших глубин, и заключенный в них фосфор снова попадает в осадочные породы, т.е. выключается из биогеохимического круговорота.
Круговорот серы. Основной резервный фонд серы находится в отложениях и в почве, но в отличие от фосфора имеется резервный фонд и в атмосфере (рис. 2.5). Главная роль в вовлечении серы в биогеохимический круговорот принадлежит микроорганизмам. Одни из них восстановители, другие - окислители.
Рис. 2.5. Круговорот серы в биосфере
В горных породах сера встречается в виде сульфатов (FeS2 и др.), в растворах – в форме сульфат-иона (SO42-), в газообразной фазе – в виде сероводорода (H2S) или сернистого газа (SO2). В некоторых морских организмах сера накапливается в чистом виде (S) и при их отмирании на дне морей образуются залежи самородной серы. По содержанию в морской среде сульфат-ион занимает второе место после хлора и является основной доступной формой серы, которая потребляется автотрофами и включается в состав белков.
В наземных экосистемах сера поступает в растения из почвы в основном в виде сульфатов. В живых организмах содержится в белках, в виде ионов и т.д. После гибели живых организмов часть серы восстанавливается в почве микроорганизмами до H2S, другая часть окисляется до сульфатов и вновь включается в круговорот. Образовавшийся сероводород улетучивается в атмосферу, там окисляется и возвращается в почву с осадками.
Сжигание человеком ископаемого топлива (особенно угля), а также выбросы химической промышленности, приводит к накоплению в атмосфере сернистого газа, который, реагируя с парами воды, выпадает на землю в виде кислотных дождей.
Антропогенный круговорот веществ возник с появлением человека, деятельность которого является его движущей силой. Биогеохимические циклы не столь масштабны как геологические и в значительной степени подвержены влиянию человека. Хозяйственная деятельность человека нарушает их замкнутость, они становятся ациклическими.
Выделяют две составляющих антропогенного круговорота: а) биологическую, связанную с функционированием человека как живого организма; и б) техническую, связанную с хозяйственной деятельностью людей (техногенный круговорот обмен).
Геологический и биологический круговороты в значительной степени замкнуты, чего нельзя сказать об антропогенном круговороте. Незамкнутость антропогенного круговорота веществ приводит к истощению природных ресурсов и загрязнению природной среды, что и является основной причиной всех экологических проблем человечества. Охрана природных ресурсов должна быть, в частности, направлена на то, чтобы ациклические биогеохимические процессы превратить в циклические.