Тема 7. Биосфера.

Биосфера – оболочка Земли, состав, структура и свойства которой в той или иной степени определяются настоящей или прошлой деятельностью живых организмов.

Первые представления о биосфере как «области жизни» и наружной оболочке Земли были высказаны в начале XIX в. Ж. Ламарком.

Термин «биосфера» для обозначения области земной поверхности, населенной жизнью был впервые введен австрийским геологом Э. Зюссом в 1875 г.

Основоположником современных представлений о биосфере является советский академик В.И. Вернадский. По В.И. Вернадскому биосфера включает все части земной коры, на которые воздействовали живые организмы в течение всей геологической истории.

Ту часть биосферы, где живые организмы встречаются в настоящее время, обычно называют современной биосферой или необиосферой, а древние биосферы относят к былым биосферам, иначе палеобиосферам или мегабиосферам.

Биосфера – самая крупная (глобальная) экосистема Земли.

Пределы биосферы обусловлены прежде всего «полем существования жизни».

Биосфера включает в себя:

• аэробиосферу – нижнюю часть атмосферы;

• гидробиосферу – всю гидросферу;

• литобиосферу – верхние горизонты литосферы (твердой земной оболочки).

Верхняя граница биосферы теоретически определяется озоновым экраном. Нижняя граница существования активной жизни традиционно определяется дном океана 11022 м (максимальная глубина Марианской впадины) и глубиной литосферы, характеризующейся температурой 100° C (около 6000 м, по данным сверх глубокого бурения на Кольском полуострове). В основном; жизнь в литосфере распространена лишь на несколько метров вглубь, ограничиваясь почвенным слоем. Однако по отдельным трещинам и пещерам она распространяется на сотни метров, достигая глубин 3000 – 4000 м.

Для биосферы важно:

- присутствие живого вещества (растений, животных, микроорганизмов);

- наличие значительного количества жидкой воды;

- восприятие мощного потока энергии солнечных лучей;

- присутствие поверхностей раздела между веществами, находящимися в трех фазах: твердой, жидкой и газообразной.

Роль В.И. Вернадского в формировании современного понимания о биосфере. Современные представления о биосфере базируются на учении В.И. Вернадского (1863 – 1945). Однако его учение стало активно применяться только во второй половине прошлого века, так как именно в это время начала развиваться глобальная экология, в основе которой лежит понятие «биосфера».

По представлениям В.И. Вернадского, биосфера включает следующие вещества:

- живое (все живые организмы – растения, животные, микроорганизмы);

- биогенное вещество – продукты жизнедеятельности живых организмов. Это (каменный уголь, битумы, нефть, известняки, мел, кислород атмосферы);

- косное вещество – совокупность тех веществ в биосфере, в образовании которых, как считается, живые организмы не участвуют (горные породы магматического и метаморфического происхождения, некоторые осадочные породы);

- биокосное – продукты распада и переработки горных и осадочных пород живыми организмами (почвы, кора выветривания, все природные воды, свойства которых зависят от деятельности на Земле живого вещества);

- радиоактивное вещество – атомы радиоактивных элементов. Это (уран, торий, радий, радон, углерод, тритий и др.);

- рассеянные атомы – отдельные атомы элементов, встречающиеся в природе в рассеянном состоянии. В таком состоянии часто существуют атомы микро и ультрамикроэлементов: Mn, CO, Zn, Cu, Au, Hg и др.;

- космическое – вещество, поступающее на поверхность Земли из космоса (метеориты, космическая пыль).

Наибольшая концентрация жизни в биосфере наблюдается на границах соприкосновения земных оболочек: атмосферы и литосферы (поверхность суши), атмосферы и гидросферы (поверхность океана) и особенно на границе трех оболочек – атмосферы, литосферы и гидросферы (прибрежные зоны).

Основные аспекты учения В.И. Вернадского:

1. «живое вещество» участвует в изменении облика планеты (так как именно живые организмы способны улавливать и преобразовывать солнечную энергию);

2. организованность биосферы проявляется в согласованном взаимодействии живого и неживого, взаимной приспособляемости организма и среды;

3. биосфера возникла и развивалась в результате длительной эволюции под действием биотических и абиотических факторов.

Живое вещество биосферы. Живое вещество – краеугольный камень учения о биосфере В.И. Вернадского, который акцентировал внимание на биогеохимической специфике этого образования следующим образом: на земной поверхности нет химической силы более постоянно действующей, а потому более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом.

Масса живого вещества составляет лишь 0,01% от массы всей биосферы. Тем не менее, живое вещество биосферы – это главнейший ее компонент.

Важнейшим свойством живого вещества является способность к воспроизводству и распространению по планете. Живое вещество распространено в биосфере неравномерно.

Наибольшая концентрация жизни в биосфере наблюдается на границах соприкосновения земных оболочек: атмосферы и литосферы (поверхность суши), атмосферы и гидросферы (поверхность океана), гидросферы и литосферы (дно океана), и особенно на границе трех оболочек – атмосферы, литосферы и гидросферы (прибрежные зоны). Эта места наибольшей концентрации жизни В.И. Вернадский назвал «пленками жизни».

В настоящее время по видовому составу на Земле преобладают животные (более 2,0 млн. видов) над растениями (0,5 млн.). Суммарная биомасса организмов сухопутных видов образована на 99,2% зелеными растениями и на 0,8% животными и микроорганизмами. В океане, напротив, растения составляют 6,3%, а животные и микроорганизмы – 93,7% совокупной биомассы. Биомасса суши в 1000 раз превышает биомассу океана. На суше биомасса и количество видов организмов в целом увеличивается от полюсов к экватору.

К основным свойствам живого вещества можно отнести следующие:

1. Способность быстро занимать (осваивать) все свободное пространство. Данное свойство дало основание В.И. Вернадскому сделать вывод, что для геологических периодов количество живого вещества было примерно постоянным (константой). Способность быстрого освоения пространства связана как с интенсивным размножением, так и со способностью организмов интенсивно увеличивать поверхность своего тела или образуемых ими сообществ.

2. Движение не только пассивное, но и активное, т.е. не только под действием силы тяжести, гравитационных сил и т.п., но и против течения воды, силы тяжести, движения воздушных потоков и т.п.

3. Устойчивость при жизни и быстрое разложение после смерти (включение в круговороты веществ). Благодаря саморегуляции живые организмы способны поддерживать постоянный химический состав и условия внутренней среды, несмотря на значительные изменения условий внешней среды.

4. Высокая приспособительная способность (адаптация) к различным условиям и в связи с этим освоение не только всех сред жизни, но и крайне трудных по физико-химическим параметрам условий.

5. Феноменальная высокая скорость протекания реакций. Об этом свойстве можно судить по скорости переработки вещества организмами в процессе жизнедеятельности.

6. Высокая скорость обновления живого вещества.

Функции живого вещества. Живое вещество обеспечивает биогеохимический круговорот веществ и превращение энергии 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 обусловливало аккумуляцию его в биогенном веществе (органические остатки, известняки и т.п.). 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, содержащих кислород). С этого времени восстановительные процессы в биосфере стали дополняться окислительными. Второй переломный период связывают со временем, когда концентрация кислорода достигла примерно 10% от современного уровня (вторая точка Пастера). Это создало условия для синтеза озона и образование озонового слоя, что обусловило возможность освоения организмами суши.

3. Концентрационная функция – «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 – C, H, O, N, P, 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; многие моллюски и кишечнополостные – кальций; хвощи, диатомовые водоросли, радиолярии и др. – кремний; губки – йод и т.д. Концентрационная способность живого вещества повышает содержание атомов химических элементов в организмах по сравнению с окружающей средой на несколько порядков. Результат концентрационной деятельности живого вещества – образование залежей горючих ископаемых, известняков, рудных месторождений и т.п.

4. Окислительно-восстановительная функция – 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 функция – разрушение организмами и продуктами их жизнедеятельности, в том числе и после их смерти, как остатков органического вещества, так и косных веществ. Наиболее существенную роль в этом отношении выполняют редуценты (деструкторы) – сапротрофные грибы и бактерии.

6. Транспортная функция – 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 сообщества организмов, например, в местах их скопления (птичьи базары и другие колониальные поселения).

7. Средообразующая функция – преобразование физико-химических параметров среды. Эта функция является в значительной мере интегральной – представляет собой результат совместного действия других функций. Она имеет разные масштабы проявления. Результатом средообразующей функции является и вся биосфера, и почва как одна из сред обитания. 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 – это 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.

9. Информационная функция – накопление живыми организмами определенной информации, закрепление ее в наследственных структурах и передача последующим поколениям.

10. Биогеохимическая деятельность человека – превращение и перемещение веществ биосферы в результате человеческой деятельности для хозяйственных и бытовых нужд человека. Например, использование концентраторов углерода – угля, нефти, газа и др.

Свойства биосферы. Целостность и дискретность. Целостность биосферы обусловлена тесной взаимосвязью слагающих ее компонентов. Она достигается круговоротом вещества и энергии. Изменение одного компонента неизбежно приводит к изменению других и биосферы в целом. При этом биосфера – не механическая сумма компонентов, а качественно новое образование, обладающее своими особенностями и развивающееся как единое целое. На понимание целостности биосферы основывается теория и практика рационального природопользования.

Централизованность. Центральным звеном биосферы выступают живые организмы (живое вещество).

Устойчивость и саморегуляция. Биосфера способна возвращаться в исходное состояние. Гомеостатические механизмы биосферы связаны в основном с живым веществом, его свойствами и функциями. Гомеостатические механизмы биосферы подчинены принципу Ле Шателье-Брауна.

Ритмичность. Биосфера проявляет ритмичность развития – повторяемость во времени тех или иных явлений. В природе существуют ритмы разной продолжительности. Основные из них – суточный, годовой, внутривековые и сверхвековые. Суточный ритм проявляется в изменении температуры, давления и влажности воздуха, облачности, силы ветра, в явлениях приливов и отливов, циркуляции бризов, процессах фотосинтеза у растений, поведении животных. Годовая ритмика – это смена времен года, изменения в интенсивности почвообразования и разрушения горных пород, сезонность в хозяйственной деятельности человека. Суточная ритмика обусловлена вращение Земли вокруг оси, годовая – движением Земли по орбите вокруг Солнца. Годовая ритмика лучше всего выражена в умеренном поясе и очень слабо – в экваториальном. Наблюдаются и более продолжительные ритмы (11, 22-23, 80 – 90 лет и др.).

Круговорот веществ и энергозависимость. Биосфера – открытая система. Ее существование невозможно без поступления энергии извне. Основная доля приходится на энергию Солнца. Круговорот веществ обеспечивает неисчерпаемость отдельных атомов химических элементов.

Горизонтальная зональность и высотная поясность. Общебиосферной закономерностью является горизонтальная зональность – закономерное изменение природной среды по направлению от экватора к полюсам. Зональность обусловлена неодинаковым количеством поступающего на разные широты тепла в связи с шарообразной формой Земли. Зональны климат, воды суши и океана, процессы выветривания, некоторые формы рельефа, образующиеся под влиянием внешних сил растительность, почвы, животный мир. Наиболее крупные зональные подразделения – географические пояса. Они отличаются друг от друга температурными условиями, а также общими особенностями циркуляции атмосферы, почвенно-растительного покрова и животного мира. На суше выделяются следующие географические пояса: экваториальный и в каждом полушарии субэкваториальный, тропический, субтропический, умеренный, а также в северном полушарии субарктический и арктический, а в южном – субантарктический и антарктический. Аналогичные по названию пояса выявлены и в Мировом океане. Географические пояса протягиваются преимущественно в широтном направлении.

Внутри поясов по соотношению тепла и влаги выделяются природные зоны, названия которых определяются по преобладающему типу в них растительности. Так, например, в субарктическом поясе это зоны тундры и лесотундры. В умеренном поясе – зоны лесов, лесостепи, степи, полупустынь и пустынь. В тропическом поясе – зоны лесов, редколесий и саванн, полупустынь и пустынь. Как правило, они совпадают с основными и переходными типами природных экосистем (биомами и экотонами).

Зональность характерна и для Мирового океана. От экватора к полюсам изменяются свойства поверхностных вод (температура, соленость, плотность и прозрачность и др.), а также состав растительности и животного мира.

Высотная поясность – закономерная смена природной среды с подъемом в горы от их подножия до вершин. Она обусловлена изменением климата с высотой: понижением температуры (на 0,6 ° C на каждые 100 м подъема) и до определенной высоты (до 2 – 3 км) увеличением осадков. Смена поясов в горах происходит в той же последовательности, как и на равнине при движении от экватора к полюсам. Отличием является присутствие в горах особого пояса субальпийских и альпийских лугов, которого нет на равнинах. Высотная поясность начинается в горах с аналога той горизонтальной зоны, в пределах которой расположены горы. Так, в горах находящихся в степной зоне, нижний горно-степной, в лесной – горно-лесной и т.д. Количество высотных поясов зависит высоты гор и их местоположения.

Функциональная целостность биосферы. Целостность любой системы – общая характеристика данной системы или объекта.

Закон целостности биосферы можно сформулировать так: биогенный ток атомов между компонентами биосферы связывает их в единую материальную систему, в которой изменение даже одного звена влечет за собой сопряженное изменение всех остальных. Следовательно, целостность биосферы обусловлена непрерывным обменом вещества и энергии между ее составными частями.

Закон константности количества живого вещества В.И. Вернадского: количество живого вещества биосферы (для данного геологического периода) есть константа.

Происхождение и классификация почв. Почва является неотъемлемой частью биосферы.

Почвенный покров выполняет ряд биосферных функций:

- среда обитания, аккумулятор и источник вещества и энергии для организмов суши;

- сопряжение большого геологического и малого биологического круговоротов веществ на земной поверхности;

- регулирование химического состава атмосферы и гидросферы;

- защитный барьер биосферы;

- обеспечение существования жизни на Земле.

Кроме перечисленных функций по отношению непосредственно к человеку, почва являлась главным средством сельскохозяйственного производства, осуществляет еще одну функцию – сельскохозяйственную.

Почва – поверхностный горизонт земной коры, образующий небольшой по мощности слой. Она сформировалась в результате взаимодействия факторов почвообразования:

- климата;

- организмов;

- почвообразующих пород;

- рельефа местности;

- возраста (времени);

- хозяйственной деятельности человека.

Верхняя граница почвы – поверхность раздела между почвой и атмосферой, нижняя граница – глубина проникновения почвообразовательных процессов. Мощность (толщина) современных зональных почв около 80-150 см с колебаниями от нескольких сантиметров до 2,5 – 3,0 м.

Почвенный покров Земли составляют в основном следующие почвы: арктические, тундровые, подзолистые, дерновые, дерново-подзолистые, бурые лесные, серые лесные, черноземные, каштановые и др. Самые плодородные черноземные почвы с большим содержанием гумуса, который определяет плодородие почв. Гумус – основная часть органического вещества почвы, с помощью которого осуществляется целая серия сложных обменных процессов, в которых участвуют не только кислород, азот, углерод и вода, но и различные минеральные соли, присутствующие в почве.

Гумификация – процесс превращения органических остатков в ходе биохимических реакций при затрудненном доступе кислорода в темно-окрашенные высокомолекулярные вещества, в основном в гуминовые и близкие к ним кислоты.

Разнообразие состава и свойств почв. Формирование почв в процессе эволюции жизни на Земле происходило в разных экосистемах. Состав и свойства почвы современного состояния являются результатом функционирования всех составляющих экосистем.

Самые существенные слагаемые формирования почв следующие:

- превращение (трансформация) минералов горной породы, из которой образовалась сама почва;

- накопление органических остатков и их постепенная трансформация;

- взаимодействие минеральных и органических веществ с образованием сложной системы органоминеральных соединений;

- накопление (аккумуляция) в верхней части почвы ряда биофильных элементов, прежде всего элементов питания;

- передвижение продуктов почвообразования с током влаги в профиле почвы.

Самые плодородные почвы – черноземы.

В экосистемах умеренного климата количество листвы (опада) или остатков растений на поверхности Земли, а, следовательно, и количество гумуса изменяется в зависимости от видов растительности, в частности лесах.

Так, толщина слоя остатков растений, разложившихся полностью или частично, равна примерно 1 м в хвойных лесах (на севере) и около 10 см в лиственных лесах. Соответственно, в экосистемах хвойных лесов сформировались подзолистые почвы с небольшим горизонтом гумуса, по ним залегает белесоватый, по цвету похожий на золу горизонт, а в экосистемах широколиственных лесов – серые лесные почвы с более мощным горизонтом перегноя, но содержание гумуса также меньше, чем в черноземах.

В экосистемах влажных тропических лесов, несмотря на то, что леса там намного гуще, чем леса умеренного климата слой не разложившихся остатков растительности весьма мал. Это происходит вследствие большой скорости процессов разложения, которые полностью «сжигают» гумус. В упомянутых лесах сформировались ферраллитные почвы.

Почвы являются важной составной частью наземных экосистем. Вырубка лесов любых видов или распашка степи приводит к нарушению устойчивости соответствующих экосистем. При этом почвы, как правило, деградируют, а с деградацией почв происходит негативные явления во всей экосистеме, начинают развиваться необратимые процессы разрушения (деструкция). Это наблюдается в результате антропогенного воздействия.

Энергетический баланс биосферы. Биосфера – непрерывно поглощает энергию не только Солнца, но и идущую из недр Земли; энергия трансформируется, передается от одних организмов к другим и излучается в ОС. Единственным первичным источником внешней энергии на Земле является световое и тепловое излучение Солнца.

Ежегодно на земную поверхность поступает около 21 х10P²³P кДж энергии, из этой величины на участки Земли, покрытые растениями, а также на водоемы с содержащейся в них растительностью приходится около 40%.

С учетом потери энергии радиации вследствие отражения и других причин, а также энергетического выхода фотосинтеза, не превышающего 2%, общее количество энергии, запасаемой ежегодно в продуктах фотосинтеза, выражается величиной порядка 20х10P²²P кДж.

Кроме создания чистой продукции живой покров суши использует захваченную им энергию Солнца для процесса дыхания. Эти энергетические затраты составляют около 30-40% энергии, расходуемой на создание чистой продукции. Таким образом, растительность суши преобразует суммарно (на дыхание и создание чистой продукции) около 4,2х 10P¹⁸P кДж в год солнечной энергии.

Высвобождение заключенной в органических соединениях энергии происходит также в процессе дыхания или брожения. Содержащаяся в пище энергия не совершает круговорота, а постепенно превращается в тепловую энергию. В итоге поглощенная организмами в виде химических связей солнечная энергия снова возвращается в пространство в виде теплового излучения. Поэтому биосфере требуется постоянный приток энергии извне. Эту важнейшую функцию и выполняет Солнце, обеспечивающее постоянный приток энергии к биосфере. При этом к Земле приходит коротковолновое излучение, а уходит от нее длинноволновое тепловое излучение. Баланс этих энергий не соблюдается: планета излучает в Космос несколько меньше энергии, нежели получает от Солнца. Эту разность (доли процента) и усваивает биосфера, постоянно накапливая энергию.

Круговороты важнейших химических элементов.

Типы круговоротов веществ. Биосфера Земли характеризуется круговоротом веществ и потоком энергии. Круговорот веществ – многократное участие веществ, которые протекающих в атмосфере, гидросфере и литосфере, в том числе в тех слоях, которые входят в состав биосферы Земли. Круговорот веществ осуществляется при непрерывном поступлении (потоке) внешней энергии Солнца и внутренней энергии Земли.

В зависимости от движущей силы, с определенной долей условности, внутри круговорота веществ можно выделить геологический, биологический и антропогенный круговороты. До возникновения человека на Земле осуществлялись только первые два.

Геологический круговорот (большой круговорот веществ) – круговорот веществ, движущей силой которого являются экзогенные и эндогенные геологические процессы.

Эндогенные процессы (процессы внутренней динамики) происходят под влиянием внутренней энергии Земли. Это энергия, выделяющаяся в результате радиоактивного распада, химических реакций образования минералов, кристаллизации горных пород и т.д. К эндогенным процессам относятся: тектонические движения, землетрясения, магматизм, метаморфизм. Экзогенные процессы (процессы внешней динамики) протекают под влиянием внешней энергии Солнца. Экзогенные процессы включают выветривание горных пород и минералов, удаление продуктов разрушения с одних участков земной коры и перенос их на новые участки, отложение и накопление продуктов разрушения с образованием осадочных пород. К экзогенным процессам относятся геологическая деятельность атмосферы, гидросферы, а также живых организмов и человека.

Крупнейшие формы рельефа (материки и океанические впадины) и крупные формы (горы и равнины) образовались за счет эндогенных процессов, а средние и мелкие формы рельефа (речные долины, холмы, овраги, барханы и др.), наложенные на более крупные формы, - за счет экзогенных процессов. Таким образом, эндогенные процессы ведут к образованию крупных форм рельефа, а экзогенные – к их сглаживанию.

Магматические горные породы в результате выветривания преобразуются в осадочные.

Таким образом, геологический круговорот веществ, который протекает без участия живых организмов и осуществляет перераспределение вещества между биосферой и более глубокими слоями Земли.

Биологический (биогеохимический) круговорот (малый круговорот веществ в биосфере) – круговорот веществ, движущей силой которого является деятельность живых организмов. В отличие от большого геологического круговорота, малый биогеохимический круговорот веществ совершается в пределах биосферы. Главным источником энергии круговорота является солнечная радиация, которая порождает фотосинтез.

Круговорот того или иного химического вещества из неорганической среды через растительные и животные организмы и обратно в неорганическую среду с использованием энергии Солнца и химических реакций называется биогеохимическим циклом. Биогеохимический цикл является частью биологического круговорота.

В биогеохимических круговоротах следует различать две части:

1. резервный фонд – это часть вещества, не связанная с живыми организмами;

2. обменный фонд – значительно меньшая часть вещества, которая связана прямым обменом между организмами и их непосредственным окружением.

В зависимости от расположения резервного фонда биогеохимические круговороты можно разделить на два типа:

1. круговороты газового типа с резервным фондом вещества в атмосфере и гидросфере (круговороты углерода, кислорода, азота);

2. круговороты осадочного типа с резервным фондом в земной коре (круговороты фосфора, кальция, железа и др.).

Круговороты газового типа более совершенны, т.к. обладают большим обменным фондом, а значит, способны к быстрой саморегуляции. Круговороты осадочного типа менее совершенны, они более инертны, так как основная масса вещества содержится в резервном фонде земной коры в «недоступном» живым организмам виде. Такие круговороты легко нарушаются от различного рода воздействий, и часть обмениваемого материала выходит из круговорота. Возвратиться опять 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.

С появлением человека возник антропогенный круговорот или обмен веществ. Антропогенный круговорот (обмен) – круговорот (обмен) веществ, движущей силой которого является деятельность человека. В нем можно выделить две составляющие: биологическую составляющую, связанную с функционированием человека как живого организма, и 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, которая приводит к истощению природных ресурсов и загрязнению природной среды.

Круговороты основных биогенных веществ и элементов. Рассмотрим круговороты наиболее значимых для живых организмов веществ и элементов. Круговорот воды относится к большому геологическому, а круговороты биогенных элементов (углерода, кислорода, азота, фосфора, серы и др.) – к малому биогеохимическому.

Круговорот воды между сушей и океаном через атмосферу относится к большому геологическому круговороту. Вода испаряется с поверхности Мирового океана и либо переносится на сушу, где выпадает в виде осадков, которые вновь возвращаются в океан в виде поверхностного и подземного стока, либо выпадает в виде осадков на поверхность океана. В круговороте воды на Земле ежегодно участвует более 500 тыс. кмP³P воды. Круговорот воды в целом играет основную роль в формировании природных условий на нашей планете. С учетом транспирации воды растениями и поглощения ее в биогеохимическом цикле, весь запас воды на Земле распадается и восстанавливается за 2 млн. лет.

Круговорот углерода. 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.

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, газа, дегумификация) приводит к возрастанию содержания COR₂R в атмосфере и развитию парникового эффекта.

Скорость круговорота COR₂R, т.е. время, за которое весь углекислый газ атмосферы проходит через живое вещество, составляет около 300 лет.

Круговорот кислорода. В основном свободный кислород (OR₂R) поступает в атмосферу в результате фотосинтеза зеленых растений, а потребляется в процессе дыхания животными, растениями и микроорганизмами, и при минерализации органических остатков. Основная доля кислорода продуцируется растениями суши – почти 3/ 4, остальная часть – фотосинтезирующими организмами Мирового океана. Скорость круговорота – около 2 тыс. лет.

Круговорот азота. Запас азота (NR₂R) огромен (78% от ее объема). Однако растения поглощать свободный азот не могут, а только в связанной форме, в основном в виде NHR₄RP⁺P или NOR₃RP^-P. 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 минерализуют органические вещества и превращают их в аммонийные соединения, нитраты, нитриты, а также в свободный азот, который возвращается в атмосферу.

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. Основная масса фосфора содержится в горных породах, образовавшихся в прошлые геологические эпохи. В биогеохимический круговорот фосфор включается в результате процессов выветривания горных пород.

В наземных экосистемах растения извлекают фосфор из почвы (в основном в форме POR₄RP^3-P) и включают его в состав органических соединений (белков, нуклеиновых кислот 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 почвы в водоемы больших количеств таких биогенных элементов как фосфор, азот, сера и др. вызывает бурное развитие сине-зеленых водорослей и других водных растений и эвтрофикацию 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. 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 почве, но в отличие от фосфора имеется резервный фонд и в атмосфере. Главная роль в вовлечении серы в биогеохимический круговорот принадлежит микроорганизмам. Одни из них восстановители, другие – окислители.

В горных породах сера встречается в виде сульфидов (FeSR₂ Rи др.), в растворах – в форме иона (SOR₄RP^2-P), в газообразной фазе в виде сероводорода (HR₂RS) или сернистого газа (SOR₂R). В некоторых 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 доступной основной 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 сера содержится в белках, в виде ионов и т.д. После гибели живых организмов часть серы восстанавливается в почве микроорганизмами до HR₂RS, 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, приводят к накоплению в атмосфере сернистого газа (SOR₂R), который, реагируя с парами воды, выпадает на землю в виде кислотных дождей.

Преобразующее влияние живых организмов на среду обитания. Живые организмы способны существенно влиять на среду обитания. Так, их жизнедеятельность сильно влияет на газовый состав атмосферы. Это связано, с тем, что в результате фотосинтеза зеленых растений в атмосферу поступает кислород. Диоксид углерода, напротив, извлекается из атмосферного воздуха растениями и вновь поступает туда в процессе разложения остатков погибших организмов.

На предел воздействия организмов на среду обитания указывает экологический закон жизни (Ю.Н. Куражковский): каждый вид организмов, потребляя из ОС необходимые ему вещества и выделяя в нее продукты своей жизнедеятельности, изменяет ее таким образом, что среда обитания становится непригодной для его существования.

В земных условиях живые организмы освоили четыре среды обитания, сильно различающиеся по специфике условий.

Эффект самоочищения. В естественных экосистемах вещество и энергия расходуются экономно, и отходы одних организмов служат важным условием существования других.

Этот процесс проходит через деструкцию – разложение отходов жизнедеятельности живых организмов другими организмами – бактериями, некрофагами, копрофагами (организмы, питающиеся экскрементами), детритофагами (организмами, питающиеся детритом). Таким образом, упомянутые организмы дают в конечном итоге эффект самоочищения природной среды биосферы в целом.

Некоторые виды живых организмов-деструкторов используются человеком для очищения сточных вод, включая промышленные стоки. Эффект самоочищения является важнейшим звеном в цепи биологического круговорота биосферы.

Обменные процессы в организмах как ключевой этап биопродуктивности.

Обменные процессы в организмах являются ключевым этапом в биопродуктивности.

Обменные процессы в организмах зависят от их вида. В растениях (продуцентах) обменные процессы идут в ходе фотосинтеза – синтеза органических соединений из неорганических веществ за счет энергии солнечного света с участием воды. Или хемосинтеза, когда идет синтез органических соединений из неорганических за счет химической энергии окисления неорганических веществ (серы, водорода, сероводорода, железа, аммиака и др.).

При этом благоприятные экологические факторы способствуют нормальному протеканию обменных процессов в организмах и, соответственно, поддержанию биопродуктивности. Неблагоприятные экологические факторы, наоборот, нарушают протекание обменных процессов в организмах и снижают биопродуктивность.

Биогеохимические функции разных групп организмов. В биосфере разные группы живых организмов выполняют определенные биогеохимические функции. Это разделение функций по группам сложилось в процессе эволюции жизни на Земле. Например, 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, в свою очередь, минерализуют органические вещества и возвращают углерод в атмосферу в виде углекислого газа.

Основная доля кислорода в атмосфере Земли продуцируется растениями суши – почти – ¾, остальная часть – фотосинтезирующими организмами Мирового океана. Далее кислород потребляется в процессе дыхания животными, растениями и микроорганизмами и при минерализации органических остатков. Скорость круговорота кислорода в биогеохимическом цикле приблизительно равна 2 тыс. лет.

Представление о ноосфере (В.И. Вернадского). Подлинным основателем современного учения о ноосфере является В.И. Вернадский (1863 – 1945), который внес новое содержание в это понятие, указав, что ноосфера – такое же материальное образование, как и биосфера, закономерный и неизбежный этап развития самой биосферы, этап разумного регулирования взаимоотношений человека и природы. Человек может и должен перестраивать своим трудом и интеллектом «область своей жизни», но при этом обязан сохранять те условия биосферы, которые обеспечивают ему жизнь. Будучи естественным порождением разума человека, ноосфера в своем развитии должна основываться на высшем проявлении интеллекта – научном познании.

Ноосфера – сфера разума, высшая стадия развития биосферы, когда разумная человеческая деятельность становится главным, определяющим фактором ее развития. Сам термин «ноосфера» предложен Э. Леруа (1927) и П. Тейяром де Шарденом (1930).

Кроме понятия «ноосфера» часто употребляют такие понятия, как «антропосфера» и техносфера.

Антропосфера – сфера Земли, где живет и куда временно проникает (с помощью спутников и т.п.) человечество. Понятие «антропосфера» употребляют для характеристики пространственного положения человечества и его хозяйственной деятельности.

Техносфера – часть биосферы, преобразованная технической деятельностью людей. Понятие «техносфера» используют, когда хотят подчеркнуть вещественную сторону отношений человек-природа, а также то, что на настоящем этапе хозяйственная деятельность людей не настолько разумна, чтобы говорить о ноосфере.