Качественно новый этап развития биосферы наступил в современную эпоху, когда деятельность человека, преобразующая поверхность Земли, по своим масштабам стала соизмеримой с геологическими процессами. Как отмечал В.И. Вернадский, биогеохимическая роль человека за последнее столетие стала значительно превосходить роль других, даже наиболее активных в биогеохимическом отношении организмов. Антропогенные воздействия на биосферу, принявшие глобальный характер (на Земле не осталось ни одного участка суши или моря, где нельзябыло бы обнаружить следов деятельности человека), ставят под угрозу возможность поддержания гомеостаза в биосфере.
В 1944 г. В.И. Вернадский развил представление о переходе биосферы в ноосферу (термин предложен Э. Леруа (1927) и П. Тейяром де Шарденом (1930)), т.е. в такое ее состояние, когда развитие биосферы будет управляться разумом человека. Ноосфера – сфера разума, высшая стадия развития биосферы, когда разумная человеческая деятельность становится главным, определяющим фактором ее развития. По убеждению В.И. Вернадского, биосфера вступает в новую стадию своего развития – стадию ноосферы. На этой стадии человек разумный выступает как геохимическая сила невиданного масштаба. Особенность этой силы – ее разумность.
Биогеохимические циклы
Круговорот веществ в масштабах всей биосферы называют большим кругом, а в пределах конкретного биогеоценоза – малым кругом биотического обмена. Часть биологического круговорота, состоящая из круговоротов углерода, воды, азота, фосфора, серы и других биогенных веществ, называют биогеохимическим циклами.
Круговороты веществ от продуцентов к консументам различных уровней, затем к редуцентам, а от них вновь к продуцентам замкнуты не полностью. Если бы в экосистемах существовала их полная замкнутость, то не возникало бы никаких изменений среды жизни, не было бы почвы, известняков и прочих горных пород биогенного происхождения. Таким образом, биотический круговорот можно условно изобразить в виде незамкнутого кольца.
Потери вещества из-за незамкнутости круговорота минимальны в биосфере (самой крупной экосистеме планеты).
Продуценты, консументы, детритофаги и редуценты экосистемы, поглощая и выделяя различные вещества, взаимодействуют между собой четко и согласованно. Органические вещества и кислород, образуемые фотосинтезирующими растениями, – важнейшие продукты питания и дыхания консументов. В то же время выделяемые консументами диоксид углерода и минеральные вещества навоза и мочи являются биогенами, столь необходимыми продуцентам. Поэтому вещества в экосистемах совершают практически полный круговорот, попадая сначала в живые организмы, затем в абиотическую среду и вновь возвращаясь в живое.
Вот один из основных принципов функционирования экосистем:получение ресурсов и переработка отходов происходят в процессе круговорота всех элементов. К числу наиболее важных и распространенных биогенных элементов относятся кислород, углерод, азот и фосфор.
8. Круговорот углерода
В ходе фотосинтеза атомы углерода переходят из состава углекислого газа CO2 в состав глюкозы и других органических веществ растительных клеток. Далее они переносятся по пищевым цепям, образуя ткани всех остальных живых существ экосистемы. Однако побывать в составе клеток живых организмов всех трофических уровней удается только малому числу атомов углерода, так как на каждом уровне большинство органических молекул расщепляется в процессе клеточного дыхания для получения энергии. После этого атомы углерода поступают в абиотическую часть окружающей среды в составе углекислого газа, чем завершается один цикл и создаются предпосылки начала другого цикла. Вывод части углерода из естественного круговорота экосистемы и «резервирование» в виде ископаемых запасов органического вещества в недрах Земли является важной особенностью рассматриваемого процесса.
В водных экосистемах прерывание круговорота углерода связано с включением CO2 в состав известняков, мела, кораллов в виде CaCO3. При этом углерод исключается из круговорота на целые геологические эпохи.
9. Круговорот фосфора
Из всех макроэлементов (элементов, необходимых для всего живого в больших количествах) фосфор – один из самых редких в доступных резервуарах на поверхности Земли. В природе он содержится в различных природных минералах в виде неорганического фосфат-иона. Фосфаты растворимы в воде, но не летучи. Из водного раствора фосфат поглощается растениями и включается в состав их органических соединений, выступая в дальнейшем в форме «органического фосфата».
По пищевым цепям фосфор последовательно переходит от растений к организмам всех трофических уровней, и аналогично углероду в каждом из организмов велика вероятность окисления при клеточном дыхании фосфорсодержащего соединения с целью получения необходимой для жизнедеятельности энергии. Если это происходит, то фосфат в составе мочи или ее аналога выводится из организма в окружающую среду, где может снова быть поглощен растениями и вновь запущен в круговорот.
Абсолютное большинство фосфатов образует донные отложения, и круговорот вступает в свою самую замедленную фазу. Лишь геологические процессы, протекающие миллионы лет, реально могут поднять океанические отложения фосфатов, после чего возможно повторное включение фосфора в описанный круговорот.
Круговорот азота
Абсолютному большинству организмов азот доступен только в составе ионов аммония или нитрата. В природных условиях переход азота из газообразного N2 в фиксированную форму (ионы аммония или нитрата) возможен следующим образом:
при разрядах атмосферного электричества во время грозы из азота и кислорода воздуха синтезируются оксиды азота;
при отмирании особых азотфиксирующих микроорганизмов;
путем фиксации азота клубеньковыми бактериями;
в водной среде и на очень влажной почве азотфиксация происходит благодаряцианобактериям.
Все естественные экосистемы полностью зависят от азотфиксирующих микроорганизмов.
Возврат азота в атмосферу (минерализация) есть результат деятельности бактерий-денитрификаторов, разлагающих нитраты до свободных азота и кислорода.
Для поддержания интенсивности круговорота азота при современном земледелии (так же, как круговорота фосфора и прочих биогенов) возникающий недостаток азота в почве искусственно компенсируется внесением синтетических минеральных удобрений. Для удобрения полей естественным путем в сельском хозяйстве успешно используют азотфиксацию бобовыми растениями.
