Структура і основні цикли біохімічних кругообігів

Так як Земля є кінцеве фізичне тіло, то будь-які хімічні елементи (в чистому вигляді або у вигляді сполук) також фізично кінцеві. За мільйони років їх асиміляції фотосинтетиками, тобто перетворення в більш складні речовини, вони повинні, здавалося б, бути давно вичерпаними, повністю пов'язаними в мертвої органіки, перетворитися в відсталу матерію. Однак цього не відбувається.

Щоб біосфера продовжувала існувати і на Землі не припинялося розвиток життя, постійно повинні відбуватися безперервні хімічні перетворення її живої речовини. Іншими словами, речовини після використання одними організмами повинні переходити в засвоювану для інших організмів форму. Така циклічна міграція речовин і хімічних елементів може здійснюватися тільки при певних витратах енергії, джерелом якої є Сонце. Академік В.Р. Вільямс вказував, що єдиний спосіб надати чогось кінцевого властивості нескінченного - це змусити кінцеве обертатися по замкненій кривій, тобто залучити його в кругообіг.

Через геологічних змін лику Землі частина речовини біосфери може виключатися з цього круговороту. Наприклад, такі біогенні опади, як кам'яне вугілля, нафту на багато тисячоліть консервуються в товщі земної кори, але в принципі не виключено їх повторне включення в біосферний кругообіг.

Кругообіг речовин - це багаторазова участь речовин в процесах, що протікають в атмосфері, гідросфері, літосфері, в тому числі і тих їх шарах, які входять в біосферу планети. При цьому виділяють два основних кругообігу: великий (геологічний) і малий (біогенний і біохімічний).

Великій кругообіг триває сотні мільйонів років. Гірські породи підлягають руйнуванню, вивітрювання, а продукти вивітрювання, в тому числі розчинні у воді поживні речовини, зносяться потоками води у Світовий океан. Тут вони утворюють морські нашарування і лише частково повертаються на сушу з опадами, з витягнутими людиною з води організмами. Великі, але повільно протікають геотектонічні зміни (опускання материків і підняття морського дна, переміщення морів та океанів) призводять до того, що ці нашарування повертаються на сушу, і процес повторюється. Межі геологічного кругообігу значно ширше кордонів біосфери, його амплітуда захоплює шари земної кори далеко за межами біосфери. І, найголовніше, - в процесах зазначеного кругообігу живі організми відіграють другорядну роль.

Навпаки, біологічний круговорот речовини проходить в межах населеної біосфери і втілює в собі унікальні властивості живої речовини планети. Будучи частиною великого, малий кругообіг здійснюється на рівні біогеоценозу, він полягає в тому, що поживні речовини грунту, вода, вуглець акумулюються в речовині рослин, витрачаються на побудову тіла і життєві процеси як їх самих, так і організмів - консументів. Продукти розкладання органічної речовини грунтовою мікрофлорою і мезофауни (бактерії, гриби, молюски, черви, комахи, найпростіші та ін.) Знову розкладаються до мінеральних компонентів, знову-таки доступних рослинам і тому знову втягуються ними у потік речовини.

Кругообіг хімічних речовин з неорганічного середовища через рослинні і тваринні організми назад у неорганічне середовище з використанням енергії Сонця і хімічних реакцій називається біогеохімічним циклом. Його часто називають великим біосферним кругом, маючи на увазі невпинний планетарний процес перерозподілу речовини, енергії та інформації, багаторазово входять до безперервно оновлюються екологічні системи біосфери.

Біогеохімічні кругообіги в біосфері поділяють на: 1) кругообіг газового типу з резервним фондом речовин в атмосфері або гідросфері (азоту, кисню, діоксиду вуглецю, водяної пари) і 2) кругообіг осадового типу з менш великими резервуарами в земній корі (фосфору, кальцію, заліза ).

Кругообіг води. Постійне перенесення води відбувається з одного місця в інше в масштабі всієї планети, головним чином між океаном і сушею. Він здійснюється в основному безпосередньо за рахунок енергії Сонця, однак живі організми надають на нього важливе регулюючий вплив. В процесі перенесення води часто відбувається зміна агрегатного стану останньої (перетворення рідкої води в тверду, пароподібну і навпаки), що дозволяє підтримувати рівновагу між сумарним випаровуванням і випаданням опадів на планеті.

Випаровуючись, вода з містяться в ній деякими речовинами повітряними течіями переноситься на десятки, сотні і тисячі кілометрів. Випадаючи у вигляді опадів, вона сприяє руйнуванню гірських порід, робить їх мінерали доступними для рослин і мікроорганізмів, розмиває верхній шар ґрунту, після чого йде разом з розчиненими частинками в океани і моря. Підраховано, що з поверхні Землі тільки за 1 хвилину випаровується близько одного млрд. Т. Води і стільки ж випадає назад у вигляді опадів.

Загальний обсяг води, що надходить з атмосфери на поверхню Землі, становить за рік близько 500 тис. Км 3. і таке ж кількість води, що випаровується. З поверхні Світового океану випаровується води більше (448 тис. Км 3), ніж випадає опадів (441 тис. Км 3). Різниця заповнюється стоком річкових вод. «Зайва» випарувалася вода переноситься з атмосферними потоками, випадає у вигляді опадів над сушею і надходить назад в океани з поверхневим стоком і через ґрунтові води.

Вода, доступна для наземних організмів, становить всього близько сотої частки відсотка від її загальної кількості.

Кругообіг вуглецю набагато більшою мірою, ніж круговорот води, залежить від діяльності живих організмів. Діоксид вуглецю атмосфери асимілюється наземними рослинами під час фотосинтезу і включається до складу органічних речовин. У процесі дихання рослин, тварин і мікроорганізмів вуглець, що міститься в організмі, знову переходить в атмосферу у вигляді С02. Ці два процеси повністю врівноважені: лише близько 1% вуглецю, засвоєного рослинами, відкладається у вигляді торфу і видаляється з кругообігу.

дівітельний факт: всього за 7-8 років живі організми пропускають через свої тіла весь вуглець, що міститься в атмосфері. Підраховано, що всі зелені рослини Землі щорічно витягають з атмосфери до 300 млрд. Т. Діоксиду вуглецю (86 млрд т. Вуглецю). При цьому річний кругообіг маси вуглецю на суші визначається як масою складових його ланок біосфери, так і кількістю вуглецю, яке захоплюється кожною ланкою.

Набагато більшу кількість вуглецю, ніж в атмосфері, міститься в розчиненому вигляді в морях і океанах (у вигляді С02. Вугільної кислоти Н2 С03 і її іонів). Цей вуглець також доступний для засвоєння живими організмами і витрачається як в процесі фотосинтезу, так і на освіту скелетів організмів, що включають карбонат кальцію. Діоксид вуглецю атмосфери та гідросфери обмінюється і оновлюється живими організмами за 395 років.

Кругообіг азоту. Хоча атмосфера містить величезний запас азоту (3,8х10 15 т), Світовий океан -2х10 13 т, однак атмосферний азот у формі N2 не може бути безпосередньо використаний більшістю живих організмів.

При здійсненні кругообігу сполук азоту головну роль грають мікроорганізми: азотфіксатори, нітріфікатори, денітріфікатори, які сприяють біологічної фіксації азоту повітря, тобто переводять його в засвоювану для живих організмів форму.

Повернення азоту в атмосферу відбувається внаслідок денітрифікації, яка здійснюється як за участю бактерій, так і в ході хімічних реакцій без участі організмів. Інші етапи кругообігу також багато в чому залежать від діяльності бактерій, які переводять азот з одних форм в інші. Найважливіший з етапів - розкладання тіл відмерлих організмів, в результаті чого заповнюється фонд неорганічних сполук азоту, доступних для використання рослинами.

Кругообіг кисню є планетарним процесом, що зв'язує атмосферу і гідросферу із земною корою. Основними вузловими ланками його є: освіту вільного кисню при фотосинтезі, наступні витрати на дихання, перебіг реакцій окислення органічних залишків і неорганічних речовин (наприклад, спалювання палива) та інших хімічних перетворень. Вони сприяють утворенню таких окислених сполук, як діоксид вуглецю, вода, після чого зазначені речовини залучаються до новий цикл фотосинтетических перетворень. Підраховано, що весь кисень атмосфери проходить через живу речовину Землі за 2 тисячі років.

Кругообіг кисню є яскраво виражена активна геохимическая діяльність живої речовини, його провідна роль в цьому циклічному процесі. Щорічне продукування кисню зеленою рослинністю планети складає близько 300 х 10 9 т. При цьому майже 3/4 цієї кількості виділяється рослинністю суші і лише трохи більше чверті - фотосинтезуючими організмами Світового океану. Кисню в газовій оболонці Землі близько 1,2 • 10 15 т; підраховано, що така кількість фотосинтезуючі організми могли б виробити за 4 тис. років.

Крім вищезазначених основних елементів, які беруть участь в біологічному кругообігу речовин, важливу роль відіграють також калій, фосфор, сірка, натрій і деякі інші елементи, що входять до складу харчування рослин. В тій чи іншій мірі всі елементи таблиці Д. І. Менделєєва залучені в біологічний круговорот.

Слід в той же час уточнити, що термін «кругообіг речовин» вживається в переносному сенсі. Істинний круговорот здійснюють елементи: вуглець, кисень, водень, азот і ін. На кожному етапі кругообігу вони входять до складу різних з'єднань - простих (вода) або складних (живий білок), а іноді виступають і в вільному стані. Тому більш точно було б говорити про кругообіг елементів, а не про кругообіг речовин.

Цей термін означає систему закономірних змін стану середовища існування живих організмів і відповідно стану самих цих організмів, а також безперервних їх порушень.

Як відомо, до кордонів біосфери підходять різні види космічних і, перш за все, сонячних потоків речовини і енергії (видиме світло, теплові інфрачервоні промені, ультрафіолетове і радіоактивне випромінювання, а також короткохвильове і рентгенівське випромінювання); велика їх частина затримується у високих шарах атмосфери і на кордоні її з космічним простором. При цьому першопричиною динаміки біосфери є потік надходить на Землю сонячної енергії. Проходячи через атмосферу і попутно взаємодіючи з нею, він визначає сукупність кліматичних процесів. Конкретні стану останніх в кожному місці в кожен момент часу називають погодою.

Саме постійні зміни погодних умов служать головною причиною різноманітних коливальних змін в природі біосфери. Як відомо, атмосфера нагрівається нерівномірно, що, в свою чергу, змушує повітря постійно перемішуватися; при цьому неоднорідність земної поверхні дуже ускладнює вказане перемішування. При цьому необхідно враховувати і вплив материків і океанів. Так, материки підсилюють температурні контрасти: взимку поблизу полюсів вони сильніше охолоджуються, а влітку в тропіках сильніше прогріваються. Навпаки, океани ці контрасти послаблюють.

Над материками і океанами циркуляція атмосфери протікає в основному в формі переміщення повітряних мас. Останні являють собою обсяги тропосферного повітря; вони порівнянні з площами з материками і океанами і характеризуються порівняно однорідними внутрішніми властивостями (температурою, вологістю і запиленістю), які, тим не менш, відрізняються від інших повітряних мас. Такі властивості повітряні маси набувають, коли знаходяться над поверхнею вогнищ їх формування: північній або тропічної Атлантикою, Арктичним морським басейном, пустелями, помірними широтами Євразії і т.д. Відзначимо, що розподіл природно-кліматичних зон на поверхні суші в істотному ступені визначається шляхами рухами повітряних мас і швидкістю їх трансформації. В результаті зона змішаних і широколистяних лісів Європи є наслідок найбільш потужних впливів атлантичного повітря, а пустелі - породження вогнища формування континентального тропічного повітря і т.д.

Повітряні потоки в життя біосфери відіграють велику роль. Завдяки їм доставляються сотні мільярдів тонн води з океанів, які далі зволожують сушу, вони ж приносять майже весь необхідний для життєвих процесів йод. Однак в результаті впливу багатьох чинників траєкторії повітряних потоків періодично відхиляються від середніх положень. Через це в різних місцях землі настають заморозки або відлиги, посухи або дощі, стихійні лиха або, навпаки, періоди стійкості природних факторів.

Обов'язковий облік ролі геологічних факторів, які заломлюють і конкретизують вплив змін погодних процесів на природу. Зокрема, дія заморозків слабшає в позитивних і посилюється в негативних формах рельєфу, посуха сильніше проявляється не тільки на південних схилах, але і на глинистих схилах. Нарешті, при прогнозуванні наслідків зміни погоди не можна не враховувати роль грунтового покриву і перш за все його сповільнену реакцію на зміни погодних умов. Вона, в свою чергу, гальмує реакцію рослинності на зміни останніх, що певним чином стабілізує стан всього живого покриву. Зазначене явище гальмування проявляється, зокрема, в тому, що атмосферна посуха може бути вельми сильною, але в грунті, тим не менш, є запаси вологи, які залишилися в грунті від попередніх років. Тому дефіцит вологи проявляється не так гостро.

На динаміку біосфери величезний вплив справляє людська діяльність. При цьому вона на відміну від природних екологічних факторів зумовлює не коливальні, а переважно поступальні зміни природи. Так, розвиток водного транспорту тягне за собою створення каналів, що з'єднують різні річкові системи і відповідно розвиток обмінів елементами флори і фауни між водними басейнами. Що стосується коливальних явищ в природі, пов'язаних з людською діяльністю, то вони досить рідкісні. Це або ритмічні, часто багаторічні процеси зміни культурних рослин в сівозміні, або аномальні явища.