2.Биогеохимические круговороты
В.И. Вернадский писал: "Живое вещество охватывает и перестраивает все химические процессы биосферы, действенная его энергия огромна. Живое вещество есть самая мощная геологическая сила, растущая с ходом времени". В этих словах выражается роль живых организмов в формировании и поддержании основных физико-химических свойств оболочек Земли. В концепции биосферы выявляется целостность функциональной системы в пространстве, занятой жизнью, где реализуется единство геологических и биологических сил на Земле. Основные свойства жизни реализуются за счет высокой химической активности живых организмов, их подвижности и способности к самовоспроизведению и развитию. В поддержании жизни как планетарного явления важнейшее значение имеет биоразнообразие, множество форм жизни, которые отличаются набором потребляемых веществ и выделяемых в окружающую среду продуктов жизнедеятельности. Биоразнообразие - основа устойчивой работы биосферы, которая создает биогеохимические циклы вещества, превращение энергии и использование информации.[1]
Биогеохимические циклы с круговоротными принципами функционирования в геосферах Земли подразделяются на два вида: 1) круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере или гидросфере (океан) и 2) осадочный цикл с резервным фондом в земной коре. Биогеохимические циклы реализуются лишь на уровне биосферы в целом.
Важнейшие круговороты веществ в природе: круговорот воды, геологический (большой) и биологический (малый).
Геологический круговорот вещества - это взаимодействие солнечной энергии с глубинной энергией Земли и перераспределение веществ между биосферой и более глубокими горизонтами Земли.
Осадочные горные породы, которые образованы за счет выветривания магматических пород, в подвижных зонах земной коры снова погружаются в зону высоких температур и давлений. Там они переплавляются и вновь становятся магмой – источником новых магматических пород. После поднятия этих пород на поверхность под действием выветривания вновь происходит преобразование их в новые осадочные породы. Геологический круговорот происходит не по кругу, а по спирали, т. е. новый цикл круговорота не повторяет в точности старый, а вносит свои изменения.[2]
Биологический круговорот, в отличие от геологического, происходит лишь в пределах биосферы.
Живые организмы состоят из тех же элементов, что и неживые. В живых организмах их обнаружено более 30. Доминируют в составе живых организмов кислород, водород, углерод, кальций, сера и другие элементы. Разница лишь в сложности молекул и количестве химических элементов: одних больше в живых организмах, других – во внешней среде.
Биологический круговорот – это круговая циркуляция химических элементов между живыми организмами и внешней средой, поступление химических элементов из почвы, гидросферы и атмосферы в живые организмы; изменение в них поступивших элементов в сложные органические соединения, а затем возврат этих элементов с отмершими организмами в почву, атмосферу и гидросферу через звено редуцентов.
Продуценты из простых неорганических соединений образовывают свой организм, и преобразовывают их в сложные органические соединения; консументы аналогичные начинают преобразования с более сложных соединений; редуценты высвобождают химические элементы, соединённые в сложной органике, благодаря чему они могут снова включаться в круговорот.
Для жизни биосферы этот круговорот – является ключевым, живое вещество поддерживает жизнь на нашей планете, обеспечивая круговорот веществ.[2]
Из почти 100 химических элементов, 40 необходимы для функционирования живых организмов. Из этих химических элементов N (азот), С (углерод), Н (водород), О (кислород), Р (фосфор), S (сера) (в том числе и в катионной форме) относятся к главным биогенам, которые требуются в значимых объемах. Химическою элементы циркулируют в биосфере по различным путям биологического круговорота: поглощаются живым веществом, "заряжаются" энергией, затем покидают живое вещество, отдавая энергию во внешнюю среду.[1]
Органогенные или циклические элементы имеют наибольшую суммарную массу в биосфере. Характерны для этих элементов многочисленные обратимые химические процессы.
В эту группу входят: H1, (Be4), B5, C6, N7, O8, F9, Na11, Mg12,Al13, Si14, P15, S16, Cl17, K19, Ca20, Ti22, V23, (Cr24), Mn25, Fe26, Co27, (Ni28), Cu29, Zn30, (Ge32), As33, Se34, Sr38, (Zr40), Mo42, Ag47, Cd48, (Sn50), (Sb51), (Te52), Ba56, (Hf72), (W74), (Re75), Hg80), (Tl81), (Pb82), (Bi83).
Элементы этой группы образуют циклы, которые характеризуются химическими соединениями, кристаллами или молекулами. Данные циклы обратимы лишь в главной части атомов, часть же элементов всегда выходит из круговорота. Выход этот закономерен, т.е. круговой процесс не является вполне обратимым. Среди форм такого выхода из цикла особое значение имеет рассеяние элементов, и их выход в форме свободных атомов.
Циклические элементы играют видную роль в водном аппарате земной коры, т.е. входят в водные растворы (в ионы), дают минералы, образовавшиеся водным путем. Только цирконий, гафний и германий не входят в живое вещество.[2]
Биотический круговорот органических веществ — основа биосферы. В закономерностях этого круговорота решена проблема развития и длительного существования жизни. Мы не говорим «бесконечного», потому что все на Земле имеет конец: сама Земля представляет собой ограниченное тело, конечен резерв минеральных элементов и т.д. «Единственный способ придать ограниченному количеству свойство бесконечного, — писал В. Р. Вильямc в книге «Агрономия», — это заставить его вращаться по замкнутой кривой. Зеленые растения образовывают органическое вещество, не зеленые разрушают его. Из минеральных соединений, обретенных из распада органического вещества, новые зеленые растения строят новое органическое вещество, и так без конца» .[3]
Жизнь на Земле идет именно таким путем. Каждый вид — это только звено в биотическом круговороте. Непрерывность жизни обеспечивается процессами синтеза и распада, каждый организм отдает или выделяет то, что используют другие организмы. Особенно велика в этом круговороте роль микроорганизмов, которые обращают останки животных и растений в минеральные соли и простейшие органические соединения, вновь используемые зелеными растениями для синтеза новых органических веществ. При разрушении сложных органических соединений высвобождается энергия, пропадает информация, свойственная сложно организованным существам. Каждая форма жизни участвует в биотическом круговороте, и на нем образована саморегуляция биосферы. Микроорганизмы при этом играют двоякую роль: они стремительно приспосабливаются к разным условиям жизни и могут использовать разнообразные субстраты в качестве источника углерода и энергии. Высшие организмы не обладают такими способностями, и потому располагаются выше одноклеточных в экологической пирамиде, опираясь на них как на фундамент.
Суммарную годовую продукцию фотосинтеза Земли в 46 * 1012 кг органического углерода оценил в 1967 г. физиолог А.А.Ничипорович. Для производства такого количества углерода нужно связать 170 *1012 кг углекислоты и 68 * 1012 кг воды, в результате чего создадутся 115 * 1012 кг сухого органического вещества и 123 * 1012 кг кислорода. При этом усваиваются 18,55 * 1020 Дж солнечной радиации. Но в процессе фотосинтеза участвуют не только вода и углекислота. Ежегодно используются около 6 * 1012 кг азота, 2 * 1012 кг фосфора и других элементов (калий, кальций, сера, железо, медь, кобальт, молибден и пр.). Большое количество воды тратится на испарение. Более точные расчеты дают в 2 раза больший прирост продукции, причем фито масса океана, составляющая 0,01 % суммарной, дает 25,8 % всей первичной продукции Земли. Объясняется это тем, что на суше первичная продукция создается достаточно медленно растущими цветковыми растениями, а в океане — быстро размножающимся планктоном. Из сопоставления всей биомассы растений (2400 * 1012 кг) с величиной ежегодной продукции (235,5 * 1012 кг) можно сделать вывод, что ежегодно возобновляется менее 10 % биомассы.
Часть этого вещества (232,2*1012 кг) должна потребляться животными и микроорганизмами, суммарная масса которых 23*1012 кг. Растения ежегодно продуцируют органическое вещество, составляющее примерно 10 % их биомассы, а деструкторы должны перерабатывать эту массу органики, которая в 10 раз превышает их массу. Так что компоненты биотического круговорота должны быть тщательно подогнаны. В круговороте неорганики тоже наблюдаются определенные соотношения. По данным Е. Рабиновича (1951), весь кислород в атмосфере оборачивается через организмы примерно за 2000 лет, углекислота — за 300 лет, вода — за 2 млн лет.
За время существования жизни на Земле не только углекислота и кислород, но и вода успели пройти через живое вещество не одну тысячу раз. Распределение производства органики по поверхности Земли весьма неравномерно. В среднем на 1 га приходится 160,9 т растительной массы при годовой продукции 11,5 т (в тропиках — около 440 т, а в пустынях — около 7 т). Интенсивность кругооборота характеризуется скоростью накопления и разложения мертвого органического вещества, которое образуется при опадании листьев и отмирании организмов. Этот круговорот — основа организации жизни в планетарном масштабе, о чем говорил Вернадский.[3]
Круговорот отдельных веществ В. И. Вернадский назвал биогеохимическими циклами. Сущность 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. Этими циклами и круговоротом в целом обеспечиваются важнейшие функции живого вещества в биосфере.