Углерод является важнейшим биогенным химическим элементом, составляющим основу всех органических и биоорганических соединений. Круговорот углерода в природе тесно связан с круговоротом кислорода и как обязательными составляющими биоорганических веществ. Тесно взаимосвязаны с круговоротом углерода и циклы азота, фосфора и серы, так как эти являются обязательными компонентами белков и .
Биогеохимический цикл углерода определяет энергетику , ведь жизнедеятельность фотосинтезирующих организмов и их взаимодействие с гетеротрофными организмами и неживой природой являются механизмом улавливания, накопления и перераспределения , поступающей на .
Условно круговорот углерода в природе можно начать с углекислого газа, который находится частично в виде газа в (до 0,04% по объему), а частично в растворенном состоянии в водах и других водоемов, при этом реализуется постоянный газообмен между атмосферой и . Углекислый газ образуется в процессе аэробных организмов, что является источником его появления как в атмосфере, так и в гидросфере. Большие количества СO 2 образуются при извержениях , в результате природных и антропогенных пожаров, а также при сжигании топлива, окислении органических веществ отмерших растений и трупов животных.
Свободный и растворенный СO 2 подвергается процессам связывания. Так, большое количество этого газа вступает в процессы , в результате которого образуется органическое вещество растительного происхождения. Этим процессом СO 2 вступает в круговорот и вновь возвращается в исходное состояние, когда органические вещества окисляются либо в процессах дыхания, либо в процессах медленного окисления (гниения), либо в процессах горения (пожары, сжигание в результате антропогенного воздействия).
На этом процессы связывания углекислого газа не завершаются. Водные растворы СO 2 могут взаимодействовать с карбонатными породами как на суше, так и в :
СаСО 3 + СO 2 + Н 2 O = Са(НСO 3) 2
В этом процессе образуются растворимые гидрокарбонаты, которые с водным потоком ( , ) могут перемещаться по планете. Эти процессы (образование гидрокарбонатов) протекают при относительно низких (в холодных водах). При нагревании природных вод гидрокарбонаты разлагаются с образованием нерастворимых карбонатов и углекислого газа, который может либо оставаться в растворенном состоянии, либо удаляться в атмосферу (это еще один источник поступления СO 2 в атмосферу или гидросферу:
Са(НСO 3) 2 = СаСO 3 ↓ + СO 2 + Н 2 O
Получившиеся нерастворимые карбонаты участвуют в образовании осадочных горных пород, что выводит углекислый газ, а вместе с ним и углерод из круговорота на длительное время, если местная концентрация СO 2 будет невелика и не произойдет перехода карбонатов в гидрокарбонаты.
В настоящее время считается, что биогеохимический цикл углерода нарушен за счет антропогенных факторов, так как количество поступающего в атмосферу СO 2 за счет хозяйственной деятельности человека увеличивается до 10% от ежегодного нормального уровня биогенного выделения этого газа и это количество продолжает неуклонно возрастать.
Однако неблагоприятное действие деятельности человека на процессы, регулирующие круговорот углерода на Земле, смягчаются процессами связывания оксида углерода(IV), протекающими в океане.
Итак, круговорот углерода в природе является системой динамических, достаточно устойчивых процессов, при этом локальные изменения происходят относительно легко, а глобальные процессы легко компенсируют локальные воздействия. И тем не менее необходимо корректировать производственную деятельность человека с целью снижения возможностей нарушения естественного хода процессов круговорота углерода и других элементов, с ним связанных.
Всем известны законы сохранения энергии и сохранения материи.
Атомы различных химических элементов переходят из одного соединения в другое, но ни материя, ни энергия не исчезают: они участвуют только в своеобразных круговоротах.
Одним из таких круговоротов, обусловленных наличием жизни на Земле и действием солнечной энергии, является круговорот углерода .
Воздух у поверхности Земли содержит ничтожное количество (6,03 процента) углекислого газа, или, иначе, углекислоты. Благодаря хлорофиллу в зеленых частях растений происходит образование богатых энергией веществ за счет соединения углекислоты воздуха и воды. Таким образом, углекислый газ постоянно связывается и удаляется из атмосферы.
И тут может возникнуть вопрос: а не наступит ли такой момент, когда воздух лишится углекислоты и растения не смогут жить на Земле?
На этот вопрос можно ответить точным подсчетом. Общее количество углекислоты в земной атмосфере равно приблизительно 1 500 миллиардам тонн. В этом количестве углекислоты содержится 410 миллиардов тонн углерода. Кстати, в разведанных запасах каменного угля углерода гораздо больше.
Годовое производство пищевого сахара во всем мире содержит около 10 тысяч тонн углерода. Стало быть, сахарное производство могло бы связать всю углекислоту воздуха за 41 миллион лет! И тогда жизнь зеленых растений прекратилась бы, а вслед за этим погибли бы от голода и остальные живые существа. Но это никогда не может произойти, потому что одновременно со связыванием углерода идет и обратный процесс - его освобождение.
Когда растение умирает, тело его становится достоянием бесчисленных и вездесущих бактерий. Происходят процессы брожения и гниения; они приводят к тому, что весь связанный углерод освобождается и в виде углекислоты возвращается в атмосферу.
Часть богатых энергией углесодержащих соединений попадает в пищу животным. Поедая сахароподобиые вещества - крахмал, клетчатку и прочее, они используют находящуюся в них энергию, а углерод в виде углекислоты возвращают в атмосферу.
Но случается иногда и так, что большие количества углерода надолго выходят из круговорота: иначе значительные массы растительного вещества скопляются в таких условиях, при которых разложение их микроорганизмами (гниение) не происходит. Так образуется, например, торф на дне болота, где без доступа воздуха происходит обугливание, то есть накопление углерода. Подобным образом под наслоением песка и глин обугливались массы растительных остатков и образовали каменный уголь.
Образование нефти в результате разложения животных и растительных остатков также связывает углерод.
Весьма значительные количества углерода и с ним энергии оказываются упрятанными глубоко в недрах земли, где они ждут человека, который извлечет эти богатства на поверхность земли. Сжигая уголь и торф, мы освобождаем энергию и возвращаем атмосфере соответственное количество углекислого газа. Он снова связывается растениями и вновь входит в общий круговорот углерода.
Кроме образования каменного угля, торфа и нефти, существует еще один процесс, который сопровождается «пленением» больших количеств углерода: он заключается в образовании гигантских отложений мела и известняка. Огромные массы морских животных - кораллы, моллюски и т. д. - связывают растворенный в воде кальций с углекислотой: образуют раковины и другие виды наружных скелетов жителей моря. Умершие морские животные устилают своими скелетами-раковинами дно морей и океанов. В результате возникают мощные отложения мела, известняка и со дна морей поднимаются коралловые рифы. Эти процессы совершаются в продолжение многих миллионов лет. Там, где когда-то шумели волны, сейчас поднимаются целые горы из известняка и мела. Эти горы являются огромными запасами связанной углекислоты.
Из всех биогеохимических циклов круговорот углекислого газа один из самых интенсивных. Основными хранилищами этого вещества являются:
гидросфера (1,3∙1014 т),
атмо-сфера (2,3∙1012 т)
биосфера (2,0∙1012т углерода) (в пересчёте на углерод).
Источником первичной углекислоты биосферы является вулканическая деятельность, связанная вековой дегазацией мантии и нижних горизонтов земной коры. Миграция СО2 в биосфере протекает двумя путями.
Первый путь заключается в поглощении его в процессе фотосинтеза с образованием глюкозы и других органических веществ, из которых построены все растительные ткани. Растения извлекают в процессе фотосинтеза из атмосферы и гидросферы около 150 млрд. т углерода в год в виде СО2 . Далее возможно несколько вариантов:
дыхание растений;
растения могут быть съедены травоядными животными. В этом случае углерод либо вернется в атмосферу (в процессе дыхания животных и при их разложении после смерти), либо травоядные животные будут съедены плотоядными (и тогда углерод опять же вернется в атмосферу теми же путями);
углерод может оставаться в растениях, пока растения не погибнут. Тогда их молекулы пойдут в пищуредуцентам (организмам, которые питаются мертвым органическим веществом и при этом разрушают его до простых неорганических соединений), таким как грибы и термиты. В конце концов углерод вернется в атмосферу в качестве CO 2 ;
растения могут погибнуть и оказаться под землей. Тогда в конечном итоге они превратятся в ископаемое топливо - например, в уголь.
Второй путь - растворение в морской воде. Углекислый газ СО2 обладает свойствами летучести и легкой растворимости - 0,88 объёма в 1 объёме воды, особенно в морской воде. Из атмосферы СO2 (30%) адсорбируется гидросферой. Примерно 100 млрд т СО2 находится в непрерывном круговороте между атмосферой и океаном.
Диоксид углерода участвует в реакциях, протекающих в гидро-сфере:
СО2+Н2О Н2СО3 Н+ + НСО3-
В случае же растворения исходной молекулы CO 2 в морской воде также возможно несколько вариантов:
углекислый газ может просто вернуться в атмосферу (этот вид взаимного газообмена между Мировым океаном и атмосферой происходит постоянно);
углерод может войти в ткани морских растений или животных. Тогда он будет постепенно накапливаться в виде отложений на дне Мирового океана и в конце концов превратится в известняк или из отложений вновь перейдет в морскую воду.
По второму пути миграция углерода осуществляется созданием карбонатной системы в различных водоемах, где СО2 переходит в Н2СО3, НСО13, СО23. С помощью растворенного в воде кальция (или магния) происходит осаждение карбонатов (СаСО3) биогенным и абиогенным путями. Образуются мощные толщи известняков. По А. Б. Ронову, отношение захороненного углерода в продуктах фотосинтеза к углероду в карбонатных породах составляет 1:4.
Существует наряду с большим круговоротом углерода и ряд малых его круговоротов на поверхности суши и в океане.
Содержание СО2, определяющего кислотность морской воды, остается постоянной благодаря карбонатно-бикарбонатному буферу. Этот буфер действует следующим образом: углекислый газ водорастворим, и в океанах его растворено около 140 трлн. т (против 2,6 трлн. т в атмосфере). При избытке СО2нерастворимый карбонат (СаСО3) переходит в растворимый бикарбонат Са (НСО3)2. При недостатке СО2 растворимый бикарбонат переходит в нерастворимый карбонат.
Общее количество СО2, связываемое ежегодно при выветривании горных пород, достигает 2 млрд. т углерода.. Диоксид углерода атмосферы расходуется также на процесс выветривания горных пород, превращая последние сначала в средние, а за-тем в гидрокарбонаты, которые вымываются водой и накапливаются в океане. Например, при выветривании полевых шпатов, в частности анортита, образуется гидрокарбонат кальция:
Са (Al2 Si2 O8) +CO2 = CaCO3+Al2 O3+2SiO2
СаСО3+СО2+Н2О = Са (НСО3)2
Таким образом, главную роль в круговороте углерода играет атмосферный и гидросферный фонды углекислого газа. Этот фонд пополняется при дыхании растений и животных, а также при разложении мертвой органики. Некоторая часть углерода ускользает из круговорота в захоронения. Если углерод вошел в состав осадочных отложений или ископаемого топлива, он изымается из атмосферы. На протяжении существования Земли изъятый таким образом углерод замещался углекислым газом, попадавшим в атмосферу при вулканических извержениях и других геотермальных процессах.
С наступлением научно-технического прогресса появился ещё один важный поток - обогащение атмосферы углекислым газом в результате сжигания ископаемого топлива.
В целом же без антропогенного вмешательства содержание углерода в биогеохимических резервуарах: биосфере (биомасса+почва и детрит), осадочных породах, атмосфере и гидросфере, - сохраняется с высокой степенью постоянства благодаря высоко сбалансированным потокам. По Т.А. Акимовой, В.В. Хаскину (1994), постоянный обмен углеродом, с одной стороны, между биосферой, а с другой - между атмосферой и гидросферой, обусловлен газовой функцией живого вещества - процессами фотосинтеза, дыхания и деструкции, и составляет около 60 млрд т/год. Общая масса углерода в ископаемом топливе (нефть, газ, уголь и др.) оценивается в 3,2 тлрд т, что соответствует средней скорости накопления 7 млн т/год. Это количество по сравнению с массой циркулирующего углерода незначительное и как бы выпадало из круговорота, терялось в нем. Отсюда степень разомкну-гости (несовершенства) круговорота составляет 10-4, или 0,01%, а соответственно степень замкнутости - 99,99% - потоки синтеза и распада органических веществ в биосфере с очень высокой точностью подогнаны друг к другу. Скоррелированность потоков синтеза и распада с указанной точностью доказывает наличие биологической регуляции окружающей среды, ибо случайная связь величин с такой точностью в течение миллионов лет невероятна».
Является выдающийся русский ученый академик В.И. Вернадский.
Биосфера — сложная наружная оболочка Земли, в которой содержится вся совокупность живых организмов и та часть вещества планеты, которая находится в процессе непрерывного обмена с этими организмами. Это одна из важнейших геосфер Земли, являющаяся основным компонентом природной среды, окружающей человека.
Земля состоит из концентрических оболочек (геосфер) как внутренних, так и внешних. К внутренним относятся ядро и мантия, а к внешним: литосфера - каменная оболочка Земли, включая земную кору (рис. 1) толщиной от 6 км (под океаном) до 80 км (горные системы); гидросфера - водная оболочка Земли; атмосфера — газовая оболочка Земли, состоящая из смеси различных газов, водяных паров и пыли.
На высоте от 10 до 50 км расположен слой озона, с максимальной его концентрацией на высоте 20-25 км, защищающий Землю от чрезмерного ультрафиолетового излучения, гибельного для организма. Сюда же (к внешним геосферам) относится и биосфера.
Биосфера - внешняя оболочка Земли, в которую входят часть атмосферы до высоты 25-30 км (до озонового слоя), практически вся гидросфера и верхняя часть литосферы примерно до глубины 3 км
Рис. 1. Схема строения земной коры
(рис. 2). Особенность этих частей состоит в том, что они населены живыми организмами, составляющими живое вещество планеты. Взаимодействие абиотической части биосферы — воздуха, воды, горных пород и органического вещества - биоты обусловило формирование почв и осадочных пород.
Рис. 2. Структура биосферы и соотношение поверхностей, занятых основными структурными единицами
Круговорот веществ в биосфере и экосистемах
Все доступные для живых организмов химические соединения в биосфере ограничены. Исчерпаемость пригодных для усвоения химических веществ часто тормозит развитие тех или иных групп организмов в локальных участках суши или океана. По выражению академика В.Р. Вильямса, единственный способ придать конечному свойства бесконечного состоит в том, чтобы заставить его вращаться по замкнутой кривой. Следовательно, устойчивость биосферы поддерживается благодаря круговороту веществ и потокам энергии. Имеются два основных круговорота веществ: большой — геологический и малый — биогеохимический.
Большой геологический круговорот (рис. 3). Кристаллические горные породы (магматические) под воздействием физических, химических и биологических факторов преобразуются в осадочные породы. Песок и глина — типичные осадки, продукты преобразования глубинных пород. Однако формирование осадков происходит не только за счет разрушения уже существующих пород, но также и путем синтеза биогенных минералов — скелетов микроорганизмов — из природных ресурсов — вод океана, морей и озер. Рыхлые водянистые осадки по мере их изоляции на дне водоемов новыми порциями осадочного материала, погружения на глубину, попадания в новые термодинамические условия (более высокие температуры и давления) теряют воду, отвердевают, преобразуясь при этом в осадочные горные породы.
В дальнейшем эти породы погружаются в еше более глубокие горизонты, где и протекают процессы их глубинного преобразования к новым температурным и барическим условиям, — происходят процессы метаморфизма.
Под воздействием потоков эндогенной энергии глубинные породы переплавляются, образуя магму — источник новых магматических пород. После поднятия этих пород на поверхность Земли, под действием процессов выветривания и переноса снова происходит их трансформация в новые осадочные породы.
Таким образом, большой круговорот обусловлен взаимодействием солнечной (экзогенной) энергии с глубинной (эндогенной) энергией Земли. Он перераспределяет вещества между биосферой и более глубокими горизонтами нашей планеты.
Рис. 3. Большой (геологический) круговорот веществ (тонкие стрелки) и изменение разнообразия в земной коре (сплошные широкие стрелки — рост, прерывистые — уменьшение разнообразия)
Большим круговоротом называется и круговорот воды между гидросферой, атмосферой и литосферой, который движется энергией Солнца. Вода испаряется с поверхности водоемов и суши и затем вновь поступает на Землю в виде осадков. Над океаном испарение превышает осадки, над сушей наоборот. Эти различия компенсируют речные стоки. В глобальном круговороте воды немаловажную роль играет растительность суши. Транспирация растений на отдельных участках земной поверхности может составить до 80-90% выпадающих здесь осадков, а в среднем по всем климатическим поясам — около 30%. В отличие от большого малый круговорот веществ происходит лишь в пределах биосферы. Взаимосвязь большого и малого круговорота воды показана на рис. 4.
Круговороты планетарного масштаба создаются из бесчисленных локальных циклических перемещений атомов, движимых жизнедеятельностью организмов в отдельных экосистемах, и тех перемещений, которые вызваны действием ландшафтных и геологических причин (поверхностный и подземный сток, ветровая эрозия, движение морского дна, вулканизм, горообразование и т.п.).
Рис. 4. Взаимосвязь большого геологического круговорота (БГК) воды с малым биогеохимическим круговоротом (МБК) воды
В отличие от энергии, которая однажды использована организмом, превращается в тепло и теряется, вещества в биосфере циркулируют, создавая биогеохимические круговороты. Из девяноста с лишним элементов, встречающихся в природе, живым организмам нужно около сорока. Наиболее важные для них требуются в больших количествах — углерод, водород, кислород, азот. Круговороты элементов и веществ осуществляются за счет саморегулирующих процессов, в которых участвуют все составные части . Эти процессы являются безотходными. Существует закон глобального замыкания биогеохимического круговорота в биосфере
, действующий на всех этапах ее развития. В процессе эволюции биосферы увеличивается роль биологического компонента в замыкании биогеохимичес
кого круговорота. Еще большее влияние на биогеохимический круговорот оказывает Человек. Но его роль проявляется в противоположном направлении (круговороты становятся незамкнутыми). Основу биогеохимического круговорота вешеств составляют энергия Солнца и хлорофилл зеленых растений. Другие наиболее важные круговороты — воды, углерода, азота, фосфора и серы — связаны с биогеохимическим и способствуют ему.
Круговорот воды в биосфере
Растения используют водород воды при фотосинтезе в построении органических соединений, выделяя молекулярный кислород. В процессах дыхания всех живых существ, при окислении органических соединений вода образуется вновь. В истории жизни вся свободная вода гидросферы многократно прошла циклы разложения и новообразования в живом веществе планеты. В круговорот воды на Земле ежегодно вовлекается около 500 000 км 3 воды. Круговорот воды и ее запасы показаны на рис. 5 (в относительных величинах).
Круговорот кислорода в биосфере
Своей уникальной атмосферой с высоким содержанием свободного кислорода Земля обязана процессу фотосинтеза. С круговоротом кислорода тесно связано образование озона в высоких слоях атмосферы. Кислород освобождается из молекул воды и является по сути побочным продуктом фотосинтетической активности растений. Абиотическим путем кислород возникает в верхних слоях атмосферы за счет фотодиссоциации паров воды, но этот источник составляет лишь тысячные доли процента от поставляемых фотосинтезом. Между содержанием кислорода в атмосфере и гидросфере существует подвижное равновесие. В воде его примерно в 21 раз меньше.
Рис. 6. Схема круговорота кислорода: полужирные стрелки — основные потоки поступления и расхода кислорода
Выделившийся кислород интенсивно расходуется на процессы дыхания всех аэробных организмов и на окисление разнообразных минеральных соединений. Эти процессы происходят в атмосфере, почве, воде, илах и горных породах. Показано, что значительная часть кислорода, связанного в осадочных породах, имеет фотосинтетическое происхождение. Обменный фонд О, в атмосфере составляет не более 5% общей продукции фотосинтеза. Многие анаэробные бактерии также окисляют органические вещества в процессе анаэробного дыхания, используя для этого сульфаты или нитраты.
На полное разложение органического вещества, создаваемого растениями, требуется точно такое же количество кислорода, которое выделилось при фотосинтезе. Захоронение органики в осадочных породах, углях, торфах послужило основой поддержания обменного фонда кислорода в атмосфере. Весь имеющийся в ней кислород проходит полный цикл через живые организмы примерно за 2000 лет.
В настоящее время значительная часть кислорода атмосферы связывается в результате работы транспорта, промышленности и других форм антропогенной деятельности. Известно, что человечество тратит уже более 10 млрд т свободного кислорода из общего его количества в 430-470 млрд т, поставляемого процессами фотосинтеза. Если учесть, что в обменный фонд поступает лишь небольшая часть фотосинтетического кислорода, деятельность людей в этом отношении начинает приобретать угрожающие масштабы.
Круговорот кислорода теснейшим образом сопряжен с углеродным циклом.
Круговорот углерода в биосфере
Углерод как химический элемент является основой жизни. Он может разными способами соединяться со многими другими элементами, образуя простые и сложные органические молекулы, входящие в состав живых клеток. По распространению на планете углерод занимает одиннадцатое место (0,35% веса земной коры), но в живом веществе он в среднем составляет около 18 или 45% сухой биомассы.
В атмосфере углерод входит в состав углекислого газа С0 2 , в меньшей мере — в состав метана СН 4 . В гидросфере С0 2 растворен в воде, и общее его содержание намного превышает атмосферное. Океан служит мощным буфером регуляции СО 2 в атмосфере: при повышении в воздухе его концентрации увеличивается поглощение углекислого газа водой. Некоторая часть молекул С0 2 реагирует с водой, образуя угольную кислоту, которая затем диссоциирует на ионы НСО 3 - и СО 2- 3 " Эти ионы реагируют с катионами кальция или магния с выпадением в осадок карбонатов. Подобные реакции лежат в основе буферной системы океана, поддерживающей постоянство рН воды.
Углекислый газ атмосферы и гидросферы представляет собой обменный фонд в круговороте углерода, откуда его черпают наземные растения и водоросли. Фотосинтез лежит в основе всех биологических круговоротов на Земле. Высвобождение фиксированного углерода происходит в ходе дыхательной активности самих фотосинтезирующих организмов и всех гетеротрофов — бактерий, грибов, животных, включающихся в цепи питания за счет живого или мертвого органического вещества.
Рис. 7. Круговорот углерода
Особенно активно происходит возврат в атмосферу С0 2 из почвы, где сосредоточена деятельность многочисленных групп организмов, разлагающих остатки отмерших растений и животных и осуществляется дыхание корневых систем растений. Этот интегральный процесс обозначается как «почвенное дыхание» и вносит существенный вклад в пополнение обменного фонда С0 2 в воздухе. Параллельно с процессами минерализации органического вещества в почвах образуется гумус — богатый углеродом сложный и устойчивый молекулярный комплекс. Гумус почв является одним из важных резервуаров углерода на суше.
В условиях, где деятельность деструкторов тормозят факторы внешней среды (например, при возникновении анаэробного режима в почвах и на дне водоемов), органическое вещество, накопленное растительностью, не разлагается, превращаясь со временем в такие породы, как каменный или бурый уголь, торф, сапропели, горючие сланцы и другие, богатые накопленной солнечной энергией. Они пополняют собой резервный фонд углерода, надолго выключаясь из биологического круговорота. Углерод временно депонируется также в живой биомассе, в мертвом опаде, в растворенном органическом веществе океана и т.п. Однако основным резервным фондом углерода на пишете являются не живые организмы и не горючие ископаемые, а осадочные породы — известняки и доломиты. Их образование также связано с деятельностью живого вещества. Углерод этих карбонатов надолго захоронен в недрах Земли и поступает в круговорот лишь в ходе эрозии при обнажении пород в тектонических циклах.
В биогеохимическом круговороте участвуют лишь доли процента углерода от общего его количества на Земле. Углерод атмосферы и гидросферы многократно проходит через живые организмы. Растения суши способны исчерпать его запасы в воздухе за 4-5 лет, запасы в почвенном гумусе — за 300-400 лет. Основной возврат углерода в обменный фонд происходит за счет деятельности живых организмов, и лишь небольшая его часть (тысячные доли процента) компенсируется выделением из недр Земли в составе вулканических газов.
В настоящее время мощным фактором перевода углерода из резервного в обменный фонд биосферы становится добыча и сжигание огромных запасов горючих ископаемых.
Круговорот азота в биосфере
В атмосфере и живом веществе содержится менее 2% всего азота на Земле, но именно он поддерживает жизнь на планете. Азот входит в состав важнейших органических молекул — ДНК, белков, липопротеидов, АТФ, хлорофилла и др. В растительных тканях его соотношение с углеродом составляет в среднем 1: 30, а в морских водорослях I: 6. Биологический цикл азота поэтому также тесно связан с углеродным.
Молекулярный азот атмосферы недоступен растениям, которые могут усваивать этот элемент только в виде ионов аммония, нитратов или из почвенных или водных растворов. Поэтому недостаток азота часто является фактором, лимитирующим первичную продукцию — работу организмов, связанную с созданием органических веществ из неорганических. Тем не менее атмосферный азот широко вовлекается в биологический круговорот благодаря деятельности особых бактерий (азотфиксаторов).
В круговороте азота большое участие также принимают аммонифицирующие микроорганизмы. Они разлагают белки и другие содержащие азот органические вещества до аммиака. В аммонийной форме азот частью вновь поглощается корнями растений, а частью перехватывается нитрифицирующими микроорганизмами, что противоположно функциям группы микроорганизмов — денитрификаторов.
Рис. 8. Круговорот азота
В анаэробных условиях в почвах или водах они используют кислород нитратов для окисления органических веществ, получая энергию для своей жизнедеятельности. Азот при этом восстанавливается до молекулярного. Азотфиксация и денитрификация в природе приблизительно уравновешены. Цикл азота, таким образом, зависит преимущественно от деятельности бактерий, тогда как растения встраиваются в него, используя промежуточные продукты этого цикла и намного увеличивая масштабы циркуляции азота в биосфере за счет продуцирования биомассы.
Роль бактерий в круговороте азота настолько велика, что если уничтожить только 20 их видов, жизнь на нашей планете прекратится.
Небиологическая фиксация азота и поступление в почвы его окислов и аммиака происходит также с дождевыми осадками при ионизации атмосферы и грозовых разрядах. Современная промышленность удобрений фиксирует азот атмосферы в размерах, превышающих природную фиксацию азота, в целях увеличения продукции сельскохозяйственных растений.
В настоящее время деятельность человека все сильнее влияет на круговорот азота, в основном в сторону превышения перевода его в связанные формы над процессами возврата в молекулярное состояние.
Круговорот фосфора в биосфере
Этот элемент, необходимый для синтеза многих органических веществ, включая АТФ, ДНК, РНК, усваивается растениями только в виде ионов ортофосфорной кислоты (Р0 3 4 +). Он относится к элементам, лимитирующим первичную продукцию и на суше, и особенно в океане, поскольку обменный фонд фосфора в почвах и водах невелик. Круговорот этого элемента в масштабах биосферы незамкнут.
На суше растения черпают из почвы фосфаты, освобожденные редуцентами из разлагающихся органических остатков. Однако в щелочной или кислой почве растворимость фосфорных соединений резко падает. Основной резервный фонд фосфатов содержится в горных породах, созданных на дне океана в геологическом прошлом. В ходе выщелачивания пород часть этих запасов переходит в почву и в виде взвесей и растворов вымывается в водоемы. В гидросфере фосфаты используются фитопланктоном, переходя по цепям питания в другие гидробионты. Однако в океане большая часть фосфорных соединений захоранивается с остатками животных и растений на дне с последующим переходом с осадочными породами в большой геологический круговорот. На глубине растворенные фосфаты связываются с кальцием, образуя фосфориты и апатиты. В биосфере, по сути, происходит однонаправленный поток фосфора из горных пород суши в глубины океана, следовательно, обменный фонд его в гидросфере очень ограничен.
Рис. 9. Круговорот фосфора
Наземные залежи фосфоритов и апатитов используются при производстве удобрений. Попадание фосфора в пресные водоемы является одной из главных причин их «цветения».
Круговорот серы в биосфере
Круговорот серы, необходимой для построения ряда аминокислот, отвечает за трехмерную структуру белков, поддерживается в биосфере широким спектром бактерий. В отдельных звеньях этого цикла участвуют аэробные микроорганизмы, окисляющие серу органических остатков до сульфатов, а также анаэробные редукторы сульфата, восстанавливающие сульфаты до сероводорода. Кроме перечисленных группы серобактерий окисляют сероводород до элементарной серы и далее до сульфатов. Растения усваивают из почвы и воды только ионы SO 2- 4 .
Кольцо в центре иллюстрирует процесс окисления (О) и восстановления (R), благодаря которым происходит обмен серы между фондом доступного сульфата и фондом сульфидов железа, находящимся глубоко в почве и осадках.
Рис. 10. Круговорот серы. Кольцо в центре иллюстрирует процесс окисления (0) и восстановления (R), благодаря которым происходит обмен серы между фондом доступного сульфата и фондом сульфидов железа, находящимся глубоко в почве и осадках
Основное накопление серы происходит в океане, куда ионы сульфатов непрерывно поступают с суши с речным стоком. При выделении из вод сероводорода сера частично возвращается в атмосферу, где окисляется до диоксида, превращаясь в дождевой воде в серную кислоту. Промышленное использование большого количества сульфатов и элементарной серы и сжигание горючих ископаемых поставляют в атмосферу большие объемы диоксида серы. Это вредит растительности, животным, людям и служит источником кислотных дождей, усугубляющих отрицательные эффекты вмешательства человека в круговорот серы.
Скорость круговорота веществ
Все круговороты веществ происходят с различной скоростью (рис. 11)
Таким образом, круговороты всех биогенных элементов на планете поддерживаются сложным взаимодействием разных частей . Они формируются деятельностью разных по функциям групп организмов, системой стока и испарения, связывающих океан и сушу, процессами циркуляции вод и воздушных масс, действием сил гравитации, тектоникой литосферных плит и другими масштабными геологическими и геофизическими процессами.
Биосфера действует как единая сложная система, в которой происходят различные круговороты веществ. Главным двигателем этихкруговоротов является живое вещество планеты, все живые организмы, обеспечивающие процессы синтеза, трансформации и разложения органического вещества.
Рис. 11. Темпы циркуляции веществ (П. Клауд, А. Джибор, 1972)
В основе экологического взгляда на мир лежит представление о том, что каждое живое существо окружено множеством влияющих на него различных факторов, образующих в комплексе его место обитания — биотоп. Следовательно, биотоп — участок территории, однородный по условиям жизни для определенных видов растений или животных (склон оврага, городской лесопарк, небольшое озеро или часть большого, но с однородными условиями — прибрежная часть, глубоководная часть).
Организмы, характерные для определенного биотопа, составляют жизненное сообщество, или биоценоз (животные, растения и микроорганизмы озера, луга, береговой полосы).
Жизненное сообщество (биоценоз) образует со своим биотопом единое целое, которое называется экологической системой (экосистемой). Примером естественных экосистем могут служить муравейник, озеро, пруд, луг, лес, город, ферма. Классическим примером искусственной экосистемы является космический корабль. Как видно, здесь нет строгой пространственной структуры. Близким к понятию экосистемы является понятие биогеоценоза.
Основными компонентами экосистем являются:
- неживая (абиотическая) среда. Это вода, минеральные вещества, газы, а также органические вещества и гумус;
- биотические компоненты. К ним относятся: продуценты или производители (зеленые растения), консументы, или потребители (живые существа, питающиеся продуцентами), и редуценты, или разлагатели (микроорганизмы).
Природа действует в высшей степени экономно. Так, созданная организмами биомасса (вещество тел организмов) и содержащаяся в них энергия передаются другим членам экосистемы: животные поедают растения, этих животных поедают другие животные. Этот процесс называют пищевой, или трофической, цепью. В природе пищевые цепи зачастую перекрещиваются, образуя пищевую сеть.
Примеры пищевых цепей: растение — растительноядное животное — хищник; злак — полевая мышь — лиса и др. и пищевая сеть показаны на рис. 12.
Таким образом, состояние равновесия в биосфере основано на взаимодействии биотических и абиотических факторов среды, которое поддерживается благодаря непрерывному обмену веществом и энергией между всеми компонентами экосистем.
В замкнутых круговоротах естественных экосистем наряду с другими обязательно участие двух факторов: наличие редуцентов и постоянное поступление солнечной энергии. В городских и искусственных экосистемах мало или совсем нет редуцентов, поэтому жидкие, твердые и газообразные отходы накапливаются, загрязняя окружающую среду.
Рис. 12. Пищевая сеть и направление потока вещества
Невозможно отрицать, что человек значительно (и не лучшим образом) влияет на окружающую среду, в частности на в природе. В наших силах сохранить экологическую обстановку на планете хотя бы в пригодном для жилья виде на как можно более долгий срок. Но почему, собственно, так важно наличие углерода? Что с ним вообще происходит, как он влияет на нас, и можем ли мы повлиять на круговорот в природе этого важного элемента?
Практически любая форма жизни на нашей планете содержит в себе углерод. Значит, он необходим для нормального существования всех биологических видов. Почему же нас пугают тем, что содержание углерода стремительно повышается? Сжигание нефти и газа в процессе эксплуатации машин, работы предприятий выбрасывает в атмосферу огромное количество углекислого газа, нарушая круговорот углерода в природе. Биосистема Земли перестает справляться с таким его количеством.
Где присутствует углерод?
В, казалось бы, ничтожно малой концентрации (0.04%) углерод присутствует в атмосфере Земли как диоксид СО2. Но этого достаточно, чтобы поддерживать жизнедеятельность земной растительности.
Углерод содержится также в почве и осадочных породах - в наземной биосфере.
Как уже говорилось, этот элемент в большом количестве присутствует в океане в виде живой и неживой морской органики и в уже растворенном виде.
Еще одно хранилище углерода - ископаемые ресурсы, обычно, органического происхождения.
Откуда появляется?
Круговорот углерода в природе, как и любого другого вещества, подразумевает, что он откуда-то берется, потом куда-то девается и возвращается назад. Посмотрим, как это происходит с углеродом.
. В атмосферу углерод выдыхают животные и люди.
. Отмершие организмы растений и животных обрабатываются бактериями, которые с участием кислорода выделяют при этом углекислый газ или метан, в котором также присутствует углерод.
. образовывается также при сжигании нефти, угля, торфа и природного газа.
. Лесные пожары - тот же источник попадания этого газа в атмосферу.
. Еще один серьезный источник - деятельность активных вулканов, которые выбрасывают в атмосферу много углекислого газа, пара и диоксида серы.
. Производство цемента, как результат человеческой деятельности; используя нагревание карбоната кальция (СаСО3), выделяем большое количество углерода в атмосферу.
. Много говорят о глобальном потеплении. Нагреваясь, поверхность океана дополнительно выделяет углекислый газ из воды.
Куда девается?
Если бы весь попадающий в воздух углерод там и оставался, мы бы давно уже задохнулись, и жизнь на Земле перестала бы существовать. Но круговорот углерода в природе предполагает, что из атмосферы он куда-то девается. Куда?
. Большое спасибо за очищение воздуха от углекислого газа нужно сказать деревьям, которые являются главными хранилищами этого элемента. Причем, углерод может сохраняться в них сотни лет. Особенно полезны в этом смысле молодые деревья, которые быстро растут и, значит, быстро расходуют углерод.
. Чем ниже температура, тем более растворимым становится углекислый газ, и холодная поверхность воды ближе к северному полюсу отлично его поглощает. Но глобальное потепление грозит тем, что океан начнет испарять углекислый газ назад в атмосферу. Это еще одна проблема, которая волнует ученых и все человечество.
. Еще одна серьезная фабрика по утилизации углерода - морские организмы, обитающие в верхних слоях океана. Они абсорбируют углерод для строительства своих клеток. Приблизительные подсчеты ученых говорят о 36 тысячах гигатонн углерода в мировом океане.
. Отмирая,
