Биогеохимические циклы в биосфере

Термин «биогеохимия» впервые был предложен В. И. Вернадским. Биогеохимия изучает обмен веществ между живыми и неживыми компонентами биосферы.

Для всех экосистем в биосфере характерен постоянный обмен веществом и энергией между биотическим и абиотическим компонентами. В результате возникает так называемый круговорот веществ. Круговорот веществ является одним из важнейших условий существования экосистем. Таким образом, деятельность живых организмов, населяющих разные среды, интегрируется на уровне биосферы как целостной функциональной системы. Основной ее функцией является поддержание жизни благодаря непрерывному потоку вещества и энергии. Тесная связь биотической и абиотической составляющих экосистемы является главным принципом ее организации и выделения как целостного образования.

Как уже отмечалось выше, кроме потока энергии высокого качества для существования живой материи нужен «строительный материал» — необходимый набор химических элементов. Из всех известных химических элементов живые организмы активно используют около 40. В следовых количествах организмы нуждаются почти во всех элементах периодической таблицы. В этом отношении человек по своей природе уникален, так как, используя для поддержания жизни примерно 40 элементов, в своей деятельности он применяет почти все имеющиеся в природе элементы. Указанные выше 40 элементов необходимы живым организмам постоянно (углерод, водород, азот, фосфор, сера, железо и др.).

Основных элементов, необходимых организмам в больших количествах, всего около десяти (углерод, водород, кислород, азот, фосфор, калий, магний, кальций, сера) — их называют макроэлементами. По этой причине углерод, кислород, азот, фосфор, серу относят к так называемым биогенным элементам, т. е. элементам, порождающим жизнь. Большинство же других элементов периодической системы используется в относительно незначительных количествах, почему их часто относят к микроэлементам.

Азот и фосфор часто являются лимитирующими элементами и могут контролировать численность организмов, а сера — химический элемент, который может служить примером связи между воздухом, водой и земной корой, т. е. ее круговороту присущи особенности круговоротов азота и фосфора.

Отсутствие какого-либо элемента, даже если он относится к микроэлементам, носит для организма катастрофический характер. Между тем эти химические элементы на нашей планете содержатся в весьма ограниченных объемах и в процессе жизнедеятельности «связываются» органическими веществами, которые недоступны для продуцентов.

Для непрерывности существования живой материи требуется осуществить непрерывное преобразование химических элементов из органических веществ с помощью организмов-редуцентов в минеральную форму и затем обеспечить непрерывный транспорт этих химических элементов к продуцентам. Этот процесс получил название биогеохимического круговорота между автотрофами и гетеротрофами. На пути от гетеротрофов к автотрофам в процессе самоорганизации возникает природный резервный фонд. Это явление обусловлено естественной динамикой больших систем и является проявлением инерционных свойств материи на данном уровне организации. Резервный фонд — фундаментальное явление, которое «обеспечивает» длительное существование сложной системы при кратковременных случайных воздействиях внешней среды.

Все химические элементы (микрои макроэлементы) циркулируют в биосфере по определенным путям: из внешней среды в организмы и из них опять во внешнюю среду. Эти пути, в большей или меньшей степени замкнутые, называются биогеохимическими циклами.

Биогеохимический цикл — это циркуляционное движение неорганических веществ и химических элементов между биоценозом и биотопом. Эти круговороты являются одним из непременных условий существования жизни на нашей планете. В каждом круговороте веществ различают две части: резервный фонд и подвижный (обменный) фонд. В резервный фонд входят медленно движущиеся вещества, в основном небиологическая компонента. Для обменного фонда характерен быстрый обмен между организмами и окружающей средой.

С точки зрения существования биосферы биогеохимические циклы делят:

• • на круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере или гидросфере;
• • осадочный цикл с резервным фондом в земной коре.

Такое разделение имеет смысл, потому что некоторые круговороты, в частности углерода, азота или кислорода, благодаря наличию крупных атмосферных или океанических фондов довольно быстро компенсируют различные нарушения.

Круговороты газообразных веществ с их большими атмосферными фондами в глобальном масштабе хорошо «забуферены» (буферной называют систему, обладающую механизмами поддержания своих параметров на постоянном уровне) и в этом отношении являются саморегулирующимися системами. В осадочных же циклах механизмы саморегуляции «работают» гораздо хуже и легко нарушаются. Основная масса вещества в осадочных циклах находится в малоподвижном резервном фонде в земной коре.

Особенность осадочного цикла состоит в том, что химические элементы могут на длительный срок выключаться из круговорота, что приводит к обеднению экосистемы, если их потери не компенсируются извне. Большинство элементов и соединений входит в общий осадочный цикл, циркуляция в котором осуществляется за счет эрозионных процессов, осадкообразования, горообразования, вулканической деятельности и биологического переноса. Интенсивность осадочного цикла в разных регионах мира неодинакова и зависит от природно-климатических условий, освоенности территории, хозяйственной деятельности человека.

Существуют различные научные методы описания биогеохимических круговоротов. В целом же солнечная энергия «обеспечивает» на Земле два круговорота веществ: большой, или геологический (абиотический), и малый, или биологический (биотический).

Геологический круговорот веществ — это многократно повторяющийся процесс совместного, взаимосвязанного превращения и перемещения веществ в природе, имеющий более или менее цикличный характер. Общий круговорот веществ характерен для всех геосфер и складывается из отдельных процессов круговорота химических элементов, воды, газов и других веществ. Процессы круговорота не полностью обратимы из-за рассеивания веществ, изменения их состава, местной концентрации и деконцентрации.

Большой круговорот проявляется в круговороте воздушных масс и воды. Это обеспечивает перенос минеральных соединений из одного места в другое в масштабе всей биосферы. Около трети поступающей солнечной энергии затрачивается на движение воды. Испарение воды происходит непосредственно под воздействием солнечной энергии, а выпадение осадков отдает энергию озерам, рекам, океанам и экосистемам. Растительность играет большую роль в испарении воды, во многом определяя климат регионов (объем воды на планете — 1386 млн км³). Соленая вода составляет около 97,5% объема водной массы; 78% пресной воды сосредоточено в ледниках и снежном покрове.

На основе геологического круговорота возникает круговорот органических веществ. Биологический круговорот веществ — это единство двух процессов:

• • аккумуляции элементов в живых организмах;
• • минерализации в результате разложения мертвых организмов.

Биологический круговорот характеризуется ничтожным количеством энергии. На создание органического вещества расходуется менее процента энергии Солнца. Биологический круговорот состоит главным образом из круговоротов углерода, кислорода, азота, фосфора, серы и многих других веществ. Ниже будут рассмотрены некоторые из перечисленных круговоротов. Каждый из них иллюстрирует различные возможные «узкие места» в процессе круговорота. Эти узкие места могут являться частью экологических проблем, поскольку торможение любого круговорота приводит к дефициту соответствующих веществ в биосфере и к экологическому кризису в биосфере.

Образование живого вещества преобладает на поверхности суши и в верхних слоях морей. Минерализация живого вещества в основном происходит в почве и глубинах морей.

При рассмотрении биогеохимических циклов большое значение имеет скорость оборота. Само понятие оборота следует определить как отношение пропускания к содержанию. Количественно его представляют в виде скорости или времени оборота, т. е. величины, обратной скорости. Скорость оборота — это та часть общего количества данного вещества в данной компоненте экосистемы, которая освобождается или поглощается за определенное время. Время оборота — это время, необходимое для полной смены всего количества этого вещества в данной компоненте экосистемы. Например, если в компоненте экосистемы содержится 1000 ед. вещества и в час поступает или убывает 10 ед., то скорость оборота равна 10/1000, или 0,01, т. е. 1% в час. Время оборота будет равно 1000/10, т. е. 100 ч. В геохимии часто используется понятие «время пребывания», которое означает время, в течение которого вещество остается в данной компоненте экосистемы. Оно близко к понятию «время оборота».

Например, цикл углерода в биосфере происходит приблизительно за 300 лет, кислорода — 2000 лет, азота — 2 000 000 лет.

Цикл углерода. Углерод является химическим элементом, которым определяется многообразие органических веществ, биохимических процессов и жизненных форм на Земле. Его содержание в живых организмах составляет более 40% их сухой биомассы. Основой круговорота является фотосинтетическая деятельность наземных растений и фитопланктона.

В круговороте углерода взаимодействие всех живых организмов выражено наиболее ярко. Содержание углерода в атмосфере очень мало. Он находится в воздухе в виде диоксида углерода в концентрации 0,03%. Из атмосферы углерод поглощается растениями и вовлекается в процесс фотосинтеза. В результате углерод переходит в состав органических веществ растительного, а затем и животного происхождения. Используя углекислоту, продуценты с «помощью» солнечного света получают первичные продукты фотосинтеза и затем преобразуют их в белки, жиры, углеводы и витамины.

Благодаря дыханию часть углекислоты снова попадает в атмосферу. Организмы, используя энергию высокого и среднего качества, на каждом трофическом уровне выделяют углекислый газ в атмосферу. После отмирания живых организмов происходит их разложение под действием редуцентов, что приводит к минерализации углерода органических соединений вновь до диоксида углерода, поступающего в атмосферу. Отмершие растения, трупы и экскременты животных служат пищей для гетеротрофов (животных, грибов, микроорганизмов). В основном эти организмы обитают в почве и также выделяют углекислый газ («почвенное дыхание»).

В условиях дефицита кислорода разложение органики может происходить по анаэробному пути с образованием метана, который в дальнейшем окисляется в атмосфере до диоксида углерода. В суммарном поступлении углерода в атмосферу доля метана составляет около 1,5%.

Если полного разложения и минерализации мертвого органического вещества не происходит, то в почвах накапливается органические вещества, совокупность которых получила название «гумус».

Часть поступающего в атмосферу углерода растворяется в водах Мирового океана и погружается в его глубины. В этом случае углерод оказывается исключен из активного круговорота, так как обмен углекислотой между водами Мирового океана и атмосферой протекает очень медленно: за год обменивается не более 10% растворенного в воде углекислого газа. В океане биопродуктивность фитопланктона определяется содержанием необходимых минеральных веществ. Поэтому здесь слабее представлены высшие трофические уровни, следовательно, обеднен и круговорот углерода. Таким образом, воды океана являют собой большой резервный фонд углерода в виде карбонатов.

С круговоротом углерода связана одна из важнейших проблем экологии — проблема парникового эффекта. Деятельность человека привела к сокращению массивов леса, что уменьшило первичную продукцию. Сжигание ископаемого топлива привело к резкому росту выбросов в атмосферу углекислого газа, который был фиксирован фотосинтезирующими растениями миллионы лет назад. Содержание углекислого газа возросло на 13% к исходному уровню. Предсказывается, что повышение уровня углекислого газа приведет через парниковый эффект к повышению температуры атмосферы, а это, в свою очередь, — к повышению температуры в Мировом океане и соответственно к уменьшению его способности растворять газы. Как результат, концентрация углекислого газа в атмосфере еще больше усилится. Эта положительная обратная связь приведет к катастрофическому таянию полярных льдов.

Пример круговорота углерода показал довольно успешную динамику этого процесса, его многообразие в трофических цепях, а значит, и достаточную надежность и устойчивость. Тем нс менее реализация негативных процессов разрегуляции потока энергии высокого качества, приводящих к парниковому эффекту, весьма вероятна.

Из вышесказанного можно заключить, что круговорот углерода подразделяется на следующие виды: геологический (рис. 4.2), биологический (рис. 4.3), техногенный (рис. 4.4).

Рис. 4.2. Геологический круговорот углерода.

Рис. 4.3. Биологический круговорот углерода.