біогеохімічні цикли
Біогеохімічних циклів (біогеохімічний круговорот речовин), обмін речовиною і енергією між різними компонентами біосфери, обумовлений життєдіяльністю організмів і носить циклічний характер. Вперше поняття про «біогеохімічному циклі» було введено на початку 20 століття В.І. Вернадським, що розробив теоретичні основи біогеохімічної циклічності. Біогеохімічні цикли в общепланетарном розумінні розглядаються як постійне переміщення хімічних елементів під впливом сонячної енергії за участю живих організмів. При цьому різні хімічні елементи постійно переходять з одних сполук в інші, відбувається обмін речовиною і енергією між живим і неживим. У біогеохімічному циклі виняткова роль належить фотосинтезу, завдяки якому сонячна енергія акумулюється у вигляді енергії хімічних зв'язків органічних сполук і служить рушійною силою всіх біогеохімічних процесів. У біогеохімічні кругообіги залучаються насамперед необхідні для життєдіяльності організмів біогенні елементи, в тому числі С, Н, N, О, Са, Р, S, Fe, Zn, Mn, Cu. Таким чином, завдяки фотосинтезу і безперервно діючим взаємопов'язаним кругообіг елементів створюється стійка організованість біосфери.
Спочатку на планеті склалися абіогенні цикли, що включають весь комплекс геологічних, геохімічних, гідрологічних і атмосферних процесів. Визначальну роль грали головним чином водна і повітряна міграції та акумуляція речовин. Однак у міру вдосконалення різних форм життя круговорот речовин в природі став направлятися спільною дією біологічних, геохімічних і геофізичних факторів. Організми, перебуваючи в стані постійного обміну з навколишнім середовищем, сприймають і віддають різноманітні мінеральні та органічні сполуки у вигляді газів, розчинів, твердих тіл. Екосистеми суші і Світового океану пов'язані між собою через гідрологічний стік і повітряну міграцію шляхом освіти, перенесення і випадання атмосферних опадів, аеросуспензій і аерозолів, а також шляхом обміну суші і водного середовища масами живого і мертвого речовини.
У різних компонентах біосфери відповідно до місцевих кліматичними і геологічними особливостями загальнопланетарній круговорот проходить по-різному, з неоднаковими інтенсивністю, спрямованістю, швидкістю, якісною різноманітністю залучених в круговорот речовин. Т. е. В різних ділянках біосфери створюються свої стійкі біогеохімічні цикли, які характеризують настільки ж стійкий биогеохимический фон місцевості. Виділяють також окремі гілки кругообігу, що розрізняються за швидкістю обмінних процесів. Найшвидший обмін елементами відбувається серед мікроорганізмів (від декількох хвилин до доби), в системі грунт-рослина він триває від тижнів до десятків і навіть сотень років, а в екосистемах і ландшафтах - десятки, сотні і навіть тисячі років. Загальнопланетарній цикл речовини, що охоплює всі природні тіла біосфери (включаючи глибокі горизонти донних відкладень і земну кору), протікає повільно і обчислюється, мабуть, сотнями тисяч і мільйонами років.
Нормальні (непошкодженими) біогеохімічні цикли не є замкнутими; ступінь оборотності річних циклів найважливіших біогенних елементів досягає 95-98%. Цим підтримується відносна сталість і «рівновага» складу, кількості і концентрації компонентів, залучених в круговорот, гармонія у відносинах організмів і навколишнього середовища. Однак в масштабах геологічного часу неповна замкнутість біогеохімічних циклів призводить до міграції і диференціації елементів, їх концентрування або розсіюванню. Частина елементів вилучається з біогеохімічного циклу, залишаючись в так званому запасному фонді. Вуглець, наприклад, здатний затримуватися в древостое лісів кілька сотень років, в гумусі грунтів - тисячі років, в покладах торфу десятки тисяч років, в кам'яному вугіллі - мільйони років. За всю історію біосфери (3,5-3,8 мільярд років) наслідком цих процесів стало биогенное накопичення в атмосфері О2 і N2. поява озонового екрану; відбулося биогенное концентрування вуглецю (600 мільйон років тому сформувалися запаси викопного палива - горючі сланці, нафта, вугілля, бітуми, а також вапняків, доломіту), кремнезему (діатоміти, трепели), фосфору, заліза, міді та інших з'єднань. Біогеохімічні процеси концентрування і розсіювання елементів контрастно виявили хімічну неоднорідність біосфери, мозаїчність її геохімічного вигляду.
У масштабах біосфери кількість переміщуваних елементів в процесі життєдіяльності живих організмів величезно. Так, вищі наземні рослини під час фотосинтезу щорічно засвоюють 60-70 мільярд тонн вуглецю і діоксиду вуглецю, що еквівалентно 8-10% загального його кількості в атмосфері Землі. Приблизно стільки ж СО2 виділяється в процесі дихання грунтовими мікроорганізмами. Повна оборотність СО2 атмосфери Землі відбувається кожні вісім років.
Кругообіг багатьох елементів (в тому числі Са, Mg, Al, Mn, Fe, Zn, Cu, Р, S, F, Br, I) відносяться до осадового типу, т. Е. В обмінних процесах бере участь дуже мале їх кількість, а основна частина у вигляді погано розчинних солей виводиться з циклів. Це призводить до нерівномірного розподілу елементів в земній корі і утворення так званих біогеохімічних провінцій з природного спекотних і концентрацією того чи іншого елемента щодо «нормального» геохімічного фону. Недолік або надлишок в грунтах таких елементів, як F, Br, В, Cu, Со і деяких інших служить причиною виникнення ендемічних захворювань людини і тварин.
В сучасній біосфері біогеохімічні цикли піддаються сильним впливам з боку господарської діяльності людини, причому масштаби антропогенного впливу можна порівняти з природними биогеохимическими процесами. На поверхню з надр Землі щорічно видобувається більше 160 мільярдів тонн різних гірських порід; за рік спалюється стільки горючих копалин, скільки створювала їх природа протягом мільйонів років; в процесі промислового виробництва, при роботі теплових електростанцій і транспорту в атмосферу викидається величезна кількість небезпечних для живих організмів і часто токсичних газів (дивись Забруднення навколишнього середовища). Порушений раніше існуючий баланс між засвоєнням СО2 в ході фотосинтезу і його надходженням в атмосферу. Щорічна фотосинтетична продукція становить (1,2-1,9) × 10 11 т, а витрачається на різні види антропогенної діяльності (спалювання палива, металургія, хімічна промисловість та ін.) (8-9) · 10 9 т, т. Е . щорічно додатково витрачається близько 5% кількості О2. виробляється в природі. Щорічний приріст в атмосфері вмісту СО2 становить 3 мільярд тонн (у перерахунку на вуглець), в основному за рахунок спалювання викопного палива і безконтрольного вирубування лісів. Це тягне за собою наростання парникового ефекту. Кругообіг азоту завжди здійснювався завдяки постійно протікає процесам азотфиксации, аммонификации, нітрифікації і денітрифікації (дивись Азот біогенний). Сучасна промисловість з виробництва добрив фіксує азот атмосфери і повертає його в грунту в розмірах, що перевищують біологічну фіксацію. Відбувається постійне збільшення вмісту нітратів в водоймах і оксидів азоту в атмосфері, що супроводжується відповідно евтрофікацією водойм і подкислением атмосферних опадів; накопичення геміоксіда азоту (N2 О) в атмосфері сприяє створенню парникового ефекту і руйнування озонового шару. Формуються техногенні (антропогенні) геохімічні аномалії в зонах, прилеглих до великих промислових підприємств; відбувається накопичення в грунтах і живих організмах важких металів (в районах дії деяких шкідливих виробництв і уздовж автострад). Нерідко у великих індустріальних центрах локальні аномалії переходять в регіональні і загальпланетарні (підвищення вмісту СО2 в атмосфері). Заходи боротьби з порушенням біогеохімічного циклу пов'язані з природоохоронною діяльністю, створенням маловідходних технологій, широкої реутилізацію продуктів промислового і сільськогосподарського виробництва, з пошуками шляхів оптимізації основних характеристик біогеохімічних циклів і можливістю розумного управління ними. Дивись також статтю Біосфера і літературу при ній.