В трофической структуре экосистемы связаны и четко взаимодействуют друг с другом продуценты, консументы, детритофаги и редуценты: органика и кислород, образуемые растениями, это то, что нужно консументам для питания и дыхания, а выделяемые консументами углекислый газ и минеральные вещества - как раз те биогены, которые необходимы продуцентам. В этой связи реализуется закон сохранения вещества: атомы в химических реакциях никогда не исчезают, не образуются и не превращаются друг в друга, они только перегруппировываются с образованием различных молекул и соединений. Именно это происходит в экосистемах в виде круговоротов элементов. Различают большой геологический и малый биотический круговороты. Большой круговорот длится сотни тысяч или миллионы лет. Он заключается в постоянном превращении материковой коры в океаническую. Продукты разрушения и выветривания горных пород переносятся водами в Мировой океан, а поднятие морского дна и опускание материков приводят к тому, что эти напластования возвращаются на сушу. Малый круговорот заключается втом, что углекислый газ, вода, минеральные вещества аккумулируются растениями и расходуются консументами, а продукты распада органического вещества вновь разлагаются детритофагами и редуцентами до минеральных компонентов, доступных растениям и вовлекаемых ими в поток вещества. Круговорот химических веществ из неорганической среды через растительные и животные организмы снова в неорганическую среду с использованием энергии солнца и энергии химических реакций носит название биогеохимического цикла. Наиболее значимыми для функционирования биосферы являются круговороты основных элементов, входящих в состав живого вещества: углерода, кислорода, азота, фосфора и серы.
Круговорот углерода.
Главным участником биотического круговорота является углерод как основа органических веществ. Углерод в биосфере часто представлен наиболее подвижной формой – углекислым газом. Миграция углекислого газа в биосфере Земли протекает двумя путями. Первый путь заключается в поглощении его в процессе фотосинтеза с образованием органических веществ и в последующем захоронении их в литосфере в виде торфа, угля, горных cланцев, рассеянной органики, осадочных горных пород. Так, в далекие геологические эпохи сотни миллионов лет назад значительная часть фотосинтезируемого органического вещества не использовалась ни консументами, ни редуцентами, а накапливалась и постепенно погребалась под различными минеральными осадками. Находясь в породах миллионы лет. этот детрит под действием высоких температур и давления (процесс метаморфизации) превращался в нефть, природный газ и уголь, во что именно - зависело от исходного материала, продолжительности и условий пребывания в породах.
По второму пути миграция углерода, осуществляется созданием карбонатной системы в различных водоемах, где СО2 переходит в
Н2СО3, НСО3 -, СО32- . Затем с помощью растворенного кальция происходит осаждение карбонатов СаСО3, возникают мощные толщи известняков. В дневное время углекислый газ поглощается в процессе фотосинтеза, в ночное время часть его выделяется растениями во внешнюю среду. С гибелью растений и животных происходит окисление органических веществ с образованием СО2. Массовое антропогенное сжигание органических веществ приводит к постепенному возрастанию содержания углекислого газа в атмосфере.
Круговорот кислорода.
Свободный кислород современной земной атмосферы является побочным продуктом процесса фотосинтеза зеленых растений и его общее количество отражает баланс между продуцированием кислорода и процессами окисления и гниения различных веществ. В истории биосферы Земли наступило такое время, когда количество свободного кислорода достигло определенного уровня и оказалось сбалансированным таким образом, что количество выделяемого кислорода стало равным количеству поглощаемого кислорода. В отличие от углерода резервуары доступного для биоты кислорода по сравнению с его потоками огромны. Поэтому отпадает проблема глобального дефицита О2 и замкнутости его круговорота.
С круговоротом кислорода тесно связано образование озона. В высоких слоях атмосферы под влиянием жесткой ультра- фиолетовой части солнечного спектра происходят ионизация и диссоциация части молекул кислорода, образуется атомарный кислород, который немедленно присоединяется к возбужденным молекулам кислорода, образуя озон — трехатомный кислород:
На образование озона тратится около 5% поступающей к Земле солнечной энергии. Реакции легко обратимы. При распаде озона эта энергия выделяется, за счет чего в верхних слоях атмосферы поддерживается высокая температура. Поглощая при своем образовании значительную часть жестких ультрафиолетовых лучей, озон играет большую защитную роль для всей экосферы, так как многие молекулярные структуры живых организмов разрушаются под действием жесткого ультрафиолета. С этим связано одно из критических обстоятельств современной экологической обстановки, поскольку образование и содержание озона в атмосфере географически неравномерны.