Основные биосферные круговороты веществ

 

В биосфере постоянно протекают круговороты веществ. Рассмотрим основные круговороты, которые определяют жизнь экосистем.

Круговорот воды (рис. 68). Ткани живых организмов на 70% состоят из воды, и поэтому В.И. Вернадский определял жизнь как живую воду.

Основная масса воды сосредоточена в океанах. Испаряющаяся с его поверхности вода дает живительную влагу естественным и искусственным экосистемам суши. Чем ближе район к океану, тем больше там выпадает осадков. Суша постоянно возвращает воду океану: часть воды испаряется, особенно лесами, часть собирается реками, в которые поступают дождевые и снеговые воды. Обмен влагой между океаном и сушей требует очень большого количества энергии: на это затрачивается до 1/3 поступающей на Землю солнечной энергии.

Круговорот воды в биосфере до развития цивилизации был равновесным, океан получал от рек столько воды, сколько расходовал ее при испарении. Если не менялся климат, то не мелели реки и не снижался уровень воды в озерах. С развитием цивилизации этот круговорот стал нарушаться. В частности, уменьшается испарение воды лесами, ввиду сокращения их площади и, напротив, увеличивается испарение с поверхности почвы при орошении сельскохозяйственных угодий. Реки южных районов обмелели, испарение воды с поверхности океана уменьшается вследствие появления на значительной части его поверхности пленки нефти. Все это ухудшает водоснабжение биосферы. Более частыми становятся засухи, возникают очаги экологических бедствий, например, многолетняя катастрофическая засуха в Африке в зоне Сахеля.

Кроме того, и сама пресная вода, которая возвращается в океан и другие водоемы с суши, часто загрязнена. Практически непригодной для питья стала вода многих рек России.

Доля пресной воды, доступной живым организмам, довольно мала, поэтому ее нужно расходовать экономно и не загрязнять. Этот прежде неисчерпаемый ресурс становится исчерпаемым. Сегодня воды, пригодной для питья, промышленного производства и орошения, не хватает во многих районах мира.

Круговорот углерода (рис. 69). Углерод – основа органических соединений. В атмосфере постоянно происходит обмен диоксида углерода: растения поглощают его при фотосинтезе, и все организмы выделяют в атмосферу в результате дыхания. До 50% (по некоторым данным – до 90%) углерода в форме диоксида углерода возвращают в атмосферу микроорганизмы почвы. Кроме того, углерод поступает в атмосферу из детрита – гумуса, торфа, сапропеля. Это происходит в тех случаях, когда распахиваются почвы, осушаются болота и создаются условия для деятельности аэробных микроорганизмов, разрушающих органические вещества.

Человек включает в круговорот углерода органические вещества из подземных кладовых детрита – нефти, угля, сланцев, газа. При сжигании этого топлива повышается содержание диоксида углерода в атмосфере. Пока это повышение незначительно, так как дополнительный диоксид углерода успевают использовать леса и фитопланктон океана. Кроме того, этот газ поглощается и самой водой океана, и образующиеся соединения откладываются на его дне. Если площадь лесов будет и дальше сокращаться, океан – загрязняться, а количество антропогенных выбросов диоксида углерода – возрастать, то может произойти значительное увеличение его концентрации в атмосфере.

Участником круговорота углерода является и метан – органическое вещество, которое выделяется в атмосферу бактериями-редуцентами. До начала цивилизации круговорот метана был равновесным и его поступало в атмосферу столько же, сколько разрушалось. С развитием цивилизации количество поступающего в атмосферу метана стало больше, чем его отток. Основные источники метана – рисовые поля и скот. Метан выделяется также со свалок и из угольных шахт.

В круговороте углерода участвуют и геохимические процессы, при которых происходит обмен атмосферного углерода и углерода, содержащегося в горных породах (в известняках содержатся карбонаты, в сланцах – керогены и т.д.). Диоксид углерода расходуется на выветривание карбонатов и на сложные химические реакции преобразования силикатов в карбонаты и выделяется при отложении карбонатов в океане и разложении карбонатов в глубинных горизонтах земной коры. Однако данных о скорости этих процессов нет.

Круговорот кислорода (рис. 70). Кислород – самый распространенный элемент в биосфере. Он составляет 21% атмосферы, входит в состав воды, живых организмов и многих минералов. Важную роль играет озон.

Кислород выделяют зеленые растения в результате фотосинтеза, а поглощают его все живые организмы при дыхании, он расходуется при сжигании топлива в хозяйстве человека. Кроме того, некоторое количество кислорода образуется в верхних слоях атмосферы при диссоциации воды и разрушении озона под действием ультрафиолетового излучения, и часть кислорода расходуется на окислительные процессы в земной коре, при вулканических извержениях и др.

Круговорот кислорода очень сложный, так как кислород вступает в разнообразные реакции и входит в состав очень большого числа органических и неорганических соединений, и замедленный. Для полного обновления всего кислорода атмосферы требуется около 2 тыс. лет (для сравнения: ежегодно обновляется около 1/3 диоксида углерода атмосферы).

До появления цивилизации этот круговорот также был равновесным. Сегодня кислород используется при сжигании горючего в двигателях автомобилей, в топках тепловых электростанций, в двигателях самолетов и ракет и т.д. Это дополнительное расходование кислорода может нарушить равновесие его круговорота. Пока биосфера справляется с вмешательством человека в круговорот кислорода: его потери компенсируются зелеными растениями. При дальнейшем уменьшении площади лесов и сжигании все большего количества топлива содержание кислорода в атмосфере начнет уменьшаться.

Круговорот азота (рис. 71). Азот – один из самых важных для жизнедеятельности организмов элементов. Он необходим для синтеза белка. Атмосфера в основном состоит из азота (его доля составляет 78%), но это инертный газ и потому недоступен большинству организмов.

Связывание азота в доступные растениям формы происходит при грозовых разрядах. Этот процесс осуществляют и микроорганизмы-азотфиксаторы (в наземных экосистемах – бактерии и цианобактерии, в водных – цианобактерии). Кроме того, азот связывается в доступные растениям соединения при производстве азотных удобрений.

Однако пересыщения биосферы связанным азотом не происходит. Его соединения разрушаются до оксидов азота и восстанавливаются до молекулярного азота микроорганизмами-денитрификаторами, и азот возвращается в атмосферу. Азот почвы потребляют растения. В составе растительных белков его используют животные. Возврат азота осуществляется в результате вымывания его из почвы и выделения в атмосферу в форме чистого азота и его оксидов. Бактерии разлагают белки до минеральных форм азота. Попадающий в водоемы азот также проходит по пищевым цепям «растение – животное – микроорганизмы» и возвращается в атмосферу.

Человек нарушает равновесие круговорота азота. При распашке земель резко (примерно в 5 раз) снижается активность фиксации азота микроорганизмами и, напротив, активизируется деятельность разрушающих азотные соединения микроорганизмов-денитрификаторов. В итоге уменьшается содержание связанного азота в его основном хранилище – почве. Это ведет к снижению плодородия почв и продуктивности сельскохозяйственных экосистем.

Человек влияет на круговорот азота при производстве и внесении минеральных удобрений, кроме того, значительное количество азота в форме оксидов азотапоступает в атмосферу в результате ее загрязнения промышленностью и транспортом и выпадает в виде кислотных дождей.

Восстановление естественного круговорота азота возможно за счет уменьшения производства азотных удобрений, резкого сокращения промышленных выбросов оксидов азота в атмосферу и расширения площади посевов бобовых, которые симбиотически связаны с бактериями-азотфиксаторами.

Круговорот фосфора (рис. 72). В отличие от круговоротов углерода и азота, которые являются закрытыми, круговорот фосфора – открытый, так как фосфор не образует летучих соединений, которые могли бы возвращаться в атмосферу.

Фосфор содержится лишь в горных породах, откуда попадает в экосистемы либо при естественном разрушении пород, либо при внесении на поля фосфорных удобрений, производимых из некоторых горных пород. Растения поглощают фосфор, а животные, питающиеся этими растениями, накапливают его в своих тканях. После разложения мертвых тел животных и растений редуцентами не весь фосфор вовлекается в круговорот, часть его вымывается из почвы в водоемы (реки, озера, моря). Там фосфор оседает на дно и либо совсем не возвращается на сушу, либо в небольших количествах возвращается с выловленной человеком рыбой или с экскрементами птиц, питающихся рыбой. Скопления экскрементов морских птиц служили в недалеком прошлом источником ценнейшего органического удобрения – гуано, однако в настоящее время ресурсы гуано практически исчерпаны.

Отток фосфора с суши в океан особенно усиливается под влиянием на экосистемы человека – в первую очередь вследствие возрастания поверхностного стока воды при уничтожении лесов, распашки почв и внесения фосфорных удобрений.

Поскольку запасы фосфора на суше ограничены, а его возврат из океана проблематичен, в будущем в земледелии возможен недостаток фосфора, что вызовет снижение урожаев (в первую очередь зерновых). Поэтому необходима экономия ресурсов фосфора.

 

Контрольные вопросы

1. Какова доля пресной воды в мировом запасе, какая ее часть доступна организмам?

2. Как человек влияет на круговорот воды?

3. Какую роль в круговороте углерода играет метан?

4. Почему круговорот кислорода является самым сложным?

5. Что нужно сделать для нормализации круговорота азота?

6. Чем отличается круговорот фосфора, от круговоротов углерода или азота?

 

Справочный материал

 

Живое вещество состоит из множества химических элементов, но преобладают всего три – кислород (70%), углерод (18%) и водород (10%) и большая часть кислорода и водорода входит в состав воды, 1, 5% падает на долю азота, натрия, магния, кремния, фосфора, серы, калия, железа, хлора. На все остальные элементы таблицы Менделеева – 0,5%.

Потребность в воде у организмов очень велика. Например, для образования 1 кг биомассы дерева в разных районах расходуется от 200 до 500 л воды. Чтобы вырастить 1 т пшеницы, требуется 1500 т воды, а 1 т риса – 7000 т воды.

Разные фракции воды гидросферы участвуют в круговороте воды по-разному и с разной скоростью. Так, для полного обновления воды в составе ледников необходимо 8 тыс. лет, подземных вод – 5 тыс. лет, океана – 3 тыс. лет, почвы – 1 год. Пары атмосферы и речные воды полностью обновляются за 10–12 суток.

1 м² леса производит в год от 1 до 3 м³ кислорода. При снижении содержания кислорода в атмосфере до 16 % у человека ухудшается самочувствие (в особенности страдает сердце), до 7% – человек теряет сознание, а если этот показатель опускается до 3 % – наступает смерть.

Запасы углерода в атмосфере, в составе живых организмов суши и освещенного слоя океана примерно равны. По разным данным они составляют по 600–750 Гт (1 Гт = 10¹⁵ г). Над каждым квадратным метром суши находится 1 кг углерода, и под каждым квадратным метром океана при глубине 4 км – 100 кг неорганического углерода. Примерно треть этого количества (около 200 Гт) циркулирует, т.е. ежегодно усваивается организмами в процессе фотосинтеза и возвращается обратно в атмосферу, причем, вклад океана и суши также примерно сходный.

Количество диоксида углерода в атмосфере над зоной тайгипримерно в 3 раза выше, чем над тропическим лесом, так как в тропиках активнее идет процесс фотосинтеза. Причем, если в тропиках в течение года содержание в атмосфере диоксида углерода более или менее стабильно, то в тайге в зимнее время его несравненно больше, чем летом, когда деревья активно фотосинтезируют.

Главными источниками метана являются болота – 21%, рисовые поля – 20%, скот – 15%, горение биомассы – 10%, природный газ – 8%, угольные шахты – 7%, свалки – 7%.

В мире 1,5 млрд. голов крупного рогатого скота, каждая корова производит 250 л метана в сутки (этого метана хватит, чтобы вскипятить 20 л воды).

В настоящее время вследствие уменьшения доли естественных экосистем биологическая азотфиксация стала меньше промышленной фиксации азота (соответственно 90–130 и 140 Гт), причем к 2020 г. ожидается увеличение промышленной азотфиксации на 60%. До половины азота, вносимого на поля, вымывается в грунтовые воды, озера, реки и вызывает эвтрофикацию водоемов.

В США с атмосферными осадками выпадает 20–50 кг/га в год азота, а в отдельных районах эмиссия достигает 115 кг/га. Экологически безопасной считается величина эмиссии азота 10–30 кг/га в год. При более высоких нагрузках происходят значительные изменения в экосистемах: почвы подкисляются, происходит выщелачивание питательных элементов в глубокие горизонты, возможно усыхание древостоев и массовое развитие заносных видов-нитрофилов.

Высокое содержание азота в растениях, выросших на загрязненных азотом почвах, повышает их поедаемость, что может привести к выпадению из растительных сообществ даже доминантных видов. Так, в некоторых пустошах Западной Европы после того, как в вереске повысилось содержание азота, массово распространился вересковый жук (его количество достигало 2000 экземпляров на 1 м²). Жук практически полностью выел этот кустарник из сообществ. Аналогичные изменения отмечены и в составе загрязняемых промышленным азотом сообществ в Калифорнии.

Ежегодно в океаны вымывается 14 млн. т фосфора, а с рыбопродуктами и в результате деятельности приморских птиц возвращается всего 0,1 млн. т. Примерно половину количества смываемого в океаны фосфора человек вносит на поля с фосфорными удобрениями.

Живые организмы способны накапливать многие элементы и сложные вещества и повышать их концентрацию в тысячи раз. Ежегодно организмы поглощают из окружающей среды и концентрируют в своем теле 2 млрд. т фосфора, 100 млн. т железа, по 10 млн. т никеля, по 100 тыс. т кобальта и хрома.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

Мертвая планета Земля покрыта тонкой пленкой жизни – биосферой, сформированной живыми организмами за 4,5 млрд. лет существования их на планете. Толщина биосферы составляет около 20 км, но основная масса живого вещества сконцентрирована в слое 50-100 м. В биосфере различают три части – атмосферу, гидросферу и литосферу.

Жизнь – это мощная геологическая сила, которая преобразовала Землю – создала известняки и наполнила атмосферу кислородом. Живые организмы являются активными участниками основных биосферных круговоротов веществ – углерода, воды, кислорода, азота, фосфора и др. Они поглощают воду и испаряют ее. Благодаря организмам осуществляется круговорот углекислого газа, который тесно связан с круговоротом кислорода. Кислород усваивается всеми организмами при дыхании и превращается в углекислый газ, который используется растениями для фотосинтеза, в качестве побочного продукта при этом выделяется кислород, возвращающийся в атмосферу. Большая часть углерода, содержащегося в органическом веществе, созданном растениями и преобразованном животными, возвращается в атмосферу микроорганизмами-редуцентами, а некоторое количество – при дыхании всех других организмов.

Азотфиксирующие бактерии являются основным поставщиком азота в экосистемы, а бактерии-редуценты возвращают его обратно в атмосферу.

Растения усваивают фосфор, который поступает в почву из горных пород. Этот фосфор используется всеми другими организмами и возвращается в окружающую среду микроорганизмами-редуцентами. Однако часть фосфора при этом оседает на дне водоемов и исключается из круговорота.

До развития цивилизации все круговороты были равновесными, то есть в окружающую среду возвращалось столько веществ, сколько из нее было изъято. Развитие цивилизации привело к нарушению круговоротов.

 

Индивидуальное задание

 

Тема реферата: «Жизнь как геологическая сила на планете Земля».

Расскажите в реферате о том, как живые организмы сформировали современный облик биосферы и влияют на нее сегодня.

Для написания реферата используйте следующую литературу:

Лаппо А.В. Следы былых биосфер, или рассказ о том, как устроена биосфера и что осталось от биосфер геологического прошлого. М.: Знание, 1987.

Аллен Дж., Нельсон М. Космические биосферы. М.: Прогресс, 1991.

Описание основных круговоротов веществ можно найти в двухтомнике Ю. Одума. Наконец, вы можете познакомиться с работами В.И. Вернадского о биосфере, которые есть во всех библиотеках.