Биогеохимические циклы биосферы

До появления жизни на Земле в основном протекали следующие геохимические процессы: выветривание горных пород, разрушение кристаллических решеток минералов, миграция различных водных растворов, синтез новых минералов. Эти процессы происходили в основном за счет энергии Солнца. Миграция химических элементов была геохимическим связующим звеном, которое объединяло литосферу, атмосферу и гидросферу в единый цикл круговорота химических элементов, получивший название большого (геологического) круговорота веществ. Его возраст 3,5-4,0 млрд лет. Он носил до зарождения жизни абиотический характер, важнейшим геохимическим фактором в нем была вода. Осадки обусловливают разрушение, растворение, передвижение продуктов выветривания в виде растворов и взвесей на большие расстояния. Под действием воды нивелировался рельеф, накапливались осадочные породы, обеспечивался мировой сток в океан. В большом геологическом круговороте веществ значительную роль играли тектонические движения земной коры, а также вулканизм и интрузии, поставляющие свежий материал. Большой (геологический) круговорот веществ продолжается и в современный период.

Свозникновением жизни проявился новый тип миграции химических элементов – биогенный, получивший название малого (биологического) круговорота или биогеохимического круговорота веществ (химических элементов). Это совокупность процессов образования, отмирания и разложения живого вещества, обусловливающих круговорот химических элементов в системе среда – живое вещество – среда.

В.И. Вернадский, В.Р. Вильямс, В.М. Гольдшмидт разработали основные положения о круговороте веществ в природе. Они считали, что геологический и биологический круговороты веществ протекают одновременно, в тесной взаимосвязи. В зависимости от активности живых организмов, воздействия физической среды химические элементы совершают непрерывный круговорот. В процессе биологического круговорота, развивающегося на фоне большого геологического, почвы обогащаются органическим веществом, азотом, элементами зольного питания. Если при большом геологическом круговороте элементы выносятся из верхних слоев литосферы и почв, то при малом биологическом круговороте основные элементы питания растений удерживаются в верхних горизонтах.

Химические элементы циркулируют в биосфере из окружающей неорганической среды в организмы и из организмов во внешнюю среду, т.е. переходят из неорганической формы в органическую и наоборот с использованием солнечной энергии. Относительно замкнутые круговые движения химических элементов между организмами и окружающей средой в экосистемах называются биогеохимическими (биологическими) круговоротами или биогеохимическими циклами. Биогеохимический круговорот веществ во времени представляет собой полный (замкнутый) цикл. Его продолжительность может составлять часы и сутки (для индивидов микроорганизмов), годы (для индивидов травянистых растений, животных), сотни лет (для растительных ассоциаций, сообществ и др.). Скорость биологического круговорота соответствует периоду прохождения химического элемента от начала поглощения его организмами до возвращения в среду обитания. Емкость биологического круговорота выражается количеством химических элементов, находящихся в составе биомассы (кг/га).

Полный биохимический цикл включает прижизненные и посмертные типы обмена веществ. Прижизненные типы обмена веществ живых организмов с окружающей средой направлены на синтез органических соединений, формирование живых организмов. Характер обмена веществ определяется составом химических элементов, входящих в организмы. Одни из них поступают с пищей, по цепям почва – растения, растения – животные, водные растворы – растения и пр., другие – в процессе дыхания. Прижизненные типы обмена веществ включают не только поглощение (потребление) химических элементов из окружающей неорганической среды, но и частичный возврат их в среду обитания.

Посмертные (после отмирания организмов) типы обмена веществ включают разложение органических соединений, их минерализацию, освобождение минеральных (зольных) элементов, синтез новых органо-минеральных соединений. При этом образуются также простые соли, оксиды, гидроксиды и более сложные минеральные вещества.