Роль геохимических циклов в биосфере

1. Группа циклических или органогенных элементов Циклические или органогенные элементы имеют наибольшую суммарную массу в биосфере. В эту группу входят: H1, (Be4), B5, C6, N7, O8, F9, Na11, Mg12, Al13, Si14, P15, S16, Cl17, K19, Ca20, Ti22, V23, (Cr24), Mn25, Fe26, Co27, (Ni28), Cu29, Zn30, (Ge32), As33, Se34, Sr38, (Zr40), Mo42, Ag47, Cd48, (Sn50), (Sb51), (Te52), Ba56, (Hf72), (W74), (Re75), Hg80), (Tl81), (Pb82), (Bi83).
Для этих элементов характерны многочисленные химические обратимые процессы. Геохимическая история всех этих элементов может быть выражена круговыми процессами (циклами). Каждый элемент дает характерные для определенной геосферы соединения, постоянно возобновляющиеся. После белее или менее продолжительных и более или менее сложных изменений элемент возвращается к первичному соединению и начинает новый цикл, завершающийся для элемента новым возвращением к первоначальному состоянию. Этот характер земных химических реакций был для кислорода замечен во второй половине XVIII в.; великие ученые того времени, открывшие в 1773г. земные газы (O2, CO2, H2O, NH3, H2S, SO2, SO3, H2, CH4, CO, CHOH, CSO, NO2) и их свойства, предугадали эти характерные химические циклы. Имена этих ученых Д. Прингль и Д. Пристлей. Затем в 1842г. два французских ученых Ж. Б. Дюма и Ж. Буссенго дали яркую картину этих циклов. В 1850-х годах К. Бишоф, позже Ю. Либих и К. Мор перенесли эти представления на остальное вещество земной коры. С той поры наука собрала огромное количество эмпирических фактов, подтверждающих эти обобщения. Факты эти, однако, не были согласованы и находятся в состоянии почти полного хаоса. Важное значение для этих циклов живого вещества (Живое вещество – совокупность всех организмов) все более подтверждается. Это значение живого вещества наблюдается не только для органогенных элементов, таких, как C, O, H, N, P, S, но и для металлов, как, например, для Fe, Cu, Zn, V, Mn и т.д., а также для всех химических элементов этой группы. Элементы этой группы образуют циклы, характеризуемые химическими соединениями, молекулами или кристаллами. Эти циклы обратимы лишь в главной части атомов, часть же элементов неизбежно и постоянно выходит из круговорота. Этот выход закономерен, т.е. круговой процесс не является вполне обратимым. Среди форм такого выхода из цикла особое значение имеет рассеяние элемента, его выход в форме свободных атомов. Быть может, элемент этим путем выходит из цикла, иногда навсегда. Все же ясно, что если даже наши будущие открытия более или менее изменят наши современные представления, они не поколеблют основного эмпирического обобщения – господствующего значения химических соединений и обратимых циклов в истории главной массы земной коры. Циклические элементы входят и играют видную роль в водном аппарате земной коры, т.е. входят в водные растворы (в ионы), дают минералы, образовавшиеся водным путем. Только цирконий и гафний, по-видимому, в этом отношении стоят особняком. Те же Zr и Hf не входят в живое вещество; не найден в нем и германий, но германий, судя по его водной истории, будет в нем найден.
2. Геохимический круговорот углерода Биосфера представляет оболочку жизни – область существования живого вещества. Весь ее углерод им захвачен. Все углеродистые соединения, находящиеся и образующиеся в ней, с ним каким-нибудь образом связаны. Все фреатические углеродистые минералы, попадающие в нее в результате геологических процессов, происходят в своей основе из живого вещества, представляют метаморфизованные продукты вадозных минералов, когда-то связанных с жизнью. CO2 – единственный ювенильный и фреатический минерал углерода, проникающий в большом количестве в биосферу. Важно отметить, что на земной поверхности существует большое количество химических процессов, связанных с синтезом угольной кислоты. Эти процессы находятся в очевидной связи с живым веществом, так как они все образуются под влиянием свободного кислорода. Свободный кислород окисляет углеродистую, даже графитовую, пыль, большие количества угольной кислоты образуются в среде самого живого вещества под влиянием процессов дыхания. Углеводороды (главным образом метан), которые, несомненно, приходят из глубоких слоев земной коры, только отчасти ювенильного происхождения. Большая часть их массы образуется в вадозных областях: таковы газы болот (биохимический продукт). Другая создается в стратисфере, например газы, выделяющиеся в каменноугольных копях. Но такое объяснение, едва ли приложимо целиком к газовым струям углеводородов, огромная масса которых непрерывно сейчас выделяется бурением и в меньшем количестве извека выделяется в природных условиях. Часть их в значительной мере генетически связана с нефтяными месторождениями. Это газовая фаза нефтей. Другая должна быть увязана с рассеянным органическим веществом осадочных пород, т.е. в значительной мере имеет сложное происхождение, выражаемое схемой: Морская жизнь → морской ил → осадочные породы → газы. Переход в газы должен происходить в процессах биохимического и безжизненного изменения в бескислородной среде. Но все же часть метана может быть связана с магматическими очагами и является составной частью глубоких подземных атмосфер состава H2O-CH4. Генезис этих атмосфер должен быть сложный, и пары воды и углеводороды могут быть разного происхождения. Геохимический цикл углерода живое вещество Биосфера CH4 CO2 живое CO2 вещество карбонаты
карбонаты CH4 угли нефти
Фреатические карбонаты самородный углерод оболочки C карбонаты (графит) CO2 карбонаты Ювенильные CH4 CO2 CO самородный (графит) оболочки каолиновые алюмосиликаты металлические С карбиды карбоносиликаты CO2 карбиды карбонаты CO2 металлические карбонаты алмаз
3. Жизненный цикл углерода Жизненный цикл углерода – равновесие между угольной кислотой и живым веществом. Наиболее выдающейся чертой жизненного цикла является его неполная обратимость, так как он возвращает окружающей среде лишь часть поглощенной жизнью угольной кислоты. Часть ее атомов всегда задерживается в жизненном цикле, другая выделяется в виде углеродных биогенных минералов. Этот последний углерод покидает геохимический цикл и возвращается в него иногда лишь через геологически долгое время. Главными группами таких биогенных углеродных минералов являются карбонаты извести, каменные угли, нефти и битумы. Все остальные происходят из них или образуют незначительные по сравнению с ними массы. Жизненный цикл углерода CO2 живое Вадозные вещество свободный области кислород CO2 карбонаты каменные нефти и CaCO3 угли битумы Фреатические области ювенильная графит (элементарный углерод) углекислота Количества углерода, потерянные для жизненного цикла в виде карбонатов, каменного угля, нефти, соответствуют лишь незначительной части общего органического углерода. Живое вещество удерживает углерод в жизненном цикле. Это наиболее характерная черта геохимии этого элемента. Большая часть угольной кислоты, поглощенная организмами, всегда задерживается живым веществом. Даже когда угольная кислота выделяется одними из этих организмов, она мгновенно захватывается другими (например, дыхание почвы). Этот факт был установлен великим натуралистом К. М. фон Бэром в 1838г. как закон бережливости природы по отношению к живому веществу. К. М. фон Бэр заметил, что переход органического углерода в углерод неорганический, т.е. создание вадозных углеродистых минералов, совершается с чрезвычайной медленностью. Углерод выходит из жизненного цикла:
CO2 живое вещество, лишь с большим трудом и в малом количестве. Но все же он частью покидает цикл, и цикл, таким образом, становится необратимым. Это факт, имеющий огромное значение в истории Земли.

4. Биологический круговорот атомов Повсеместно в биосфере наряду с образованием живого вещества и аккумуляцией энергии протекает и противоположный процесс – превращение сложных органических соединений в простые минеральные CO2, H2O, NH3 и т.д. Эта минерализация идет и в самих растениях, которые при дыхании окисляют органические вещества до CO2 и H2O. Гораздо энергичнее минерализуют органические вещества животные и еще более энергично – микроорганизмы. Противоположные процессы образования и разрушения органических веществ в биосфере не могут существовать один без другого, они образуют единый биологический круговорот атомов. Рассмотрим этот круговорот с точки зрения трех известных нам критериев: превращения вещества, энергии, накопления информации. Продолжительность отдельных циклов биологического круговорота атомов очень различна. Немногие недели живут растения-эфемеры, образующие весной пышный ковер в пустынях Средней Азии. И за это время они успевают накопить органическое вещество, которое в начале лета, после их смерти, в почве быстро разлагается до исходных продуктов – CO2, H2O и т.д. Но уже в лесном ландшафте часть атомов углерода, заключенных в древесине, окислится до CO2 только после смерти деревьев, т.е. через десятки или сотни лет. Наконец, если органическое вещество будет захоронено в осадочных породах и превратится в уголь, окисление которого произойдет только через несколько геологических периодов, круговорот углерода растянется на миллионы лет. Круговорот углерода в биосфере (рис.1) Круговороты не замкнуты. Каждый новый цикл не является точным повторением предыдущего, природа не остается неизменной. Вот характерный пример. Представим себе озеро в лесной зоне с травами, растущими в прибрежной полосе (осоки, тростники и др.), богатое рыбой. После каждого годичного цикла круговорота часть атомов углерода, водорода и других элементов, заключенных в органических веществах, не переходит в минеральные соединения, а захороняется на дне озера в форме органического ила – сапропеля. Постепенно озеро мелеет, наконец, наступает момент, когда его котловина полностью зарастает травами и заполняется органическими остатками, озеро превращается в болото. Такова судьба большинства лесных озер, история многих болот. Можно сказать, что поступательное развитие в биосфере осуществляется через систему круговоротов. В процессе минерализации органических веществ освобождается энергия, которая была поглощена при фотосинтезе. Она освобождается в виде тепла (вспомним, например, разогревание и даже самовозгорание недостаточно высушенного сена), но главным образом в виде химической энергии, носителями которой являются природные воды. Обогащаясь такими продуктами минерализации, как CO2, гумусовые кислоты, NH3, SO2-4, H2S, воды становятся химически высокоактивными, они разрушают («выветривают») горные породы. Таким образом, с энергетической точки зрения биологический круговорот атомов переводит энергию солнечных лучей в другие виды энергии, за счет которых в биосфере выполняется большая работа. Особенно следует отметить превращение солнечной энергии в химическую энергию природных вод и газов. Нетрудно убедиться также, что в ходе биологического круговорота атомов происходит передача информации, создание новой информации, ее переработка и захоронение, т.е. это также и информационный процесс. Чем энергичнее протекает биологический круговорот атомов, тем большее количество информации при этом перерабатывается. Положение о круговороте атомов считается одним из основных законов геохимии биосферы – законом биологического круговорота атомов, который сводится к следующему – в биосфере атомы участвуют в биологических круговоротах, в ходе которых они поглощаются живым веществом и заряжаются энергией, затем покидают живое вещество, отдавая накопленную энергию в окружающую среду. За счет этой биогенной энергии осуществляются многие химические реакции. Главными носителями энергии являются природные воды. В результате биологического круговорота атомов происходит изменение химического состава биосферы, само поступательное развитие биосферы осуществляется через систему круговоротов. Круговорот углерода в биосфере (рис.2) Отжившие растения и животные разлагаются микроорганизмами, в результате чего углерод мертвого органического вещества окисляется до углекислого газа и снова попадает в атмосферу. Подобный круговорот углерода совершается и в водной среде. Фиксированный в растениях углерод в значительном количестве потребляется животными, которые, в свою очередь, при дыхании выделяют его в виде углекислого газа. Согласно имеющимся данным, все зеленые растения Земли ежегодно извлекают из атмосферы до 300 млрд. т. углекислого газа (100 млрд. т. углерода), что совпадает с итоговым поступлением этого газа в атмосферу от разных источников – дыхания растений и животных, промышленности, транспорта и т.п. При этом годичный круговорот массы углерода на суше определяется как массой составляющих его звеньев биосферы, так и количеством углерода, захватываемого каждым звеном (в тоннах за год): Суммарный захват фотосинтезом
60∙109 Возврат от дыхания в процессе разложения органического вещества
48∙109 Поступление в гумосферу и консервация в многолетних фитоценозах
10∙109 Захоронение в осадочной толще литосферы, включая реакции углекислого газа с горными породами
1∙109 Поступление от сжигания топлива
4∙109 Круговорот углерода в гидросфере является более сложным по сравнению с континентальным, поскольку возврат этого элемента в форме углекислого газа зависит от поступления кислорода в верхние слои воды как из атмосферы, так и из нижележащей толщи. В целом показатели годичного круговорота массы углерода в Мировом океане почти в 2 раза ниже, чем на суше:
Суммарный захват в процессе фотосинтеза
30∙109 Возврат в водную среду от дыхания и разложения органического вещества 26∙109 Выпадение в донный осадок
1,5∙109 Поступление из атмосферы от сжигания топлива
1∙109 То же с речным стоком
0,6∙109 Переход в растворенное органическое вещество
0,9∙109 Между сушей и Мировым океаном происходит постоянная миграция углерода. Преобладает вынос этого элемента в форме карбонатных и органических соединений с суши в океан. Поступление углерода из Мирового океана на сушу совершается в несравненно меньших количествах, и то лишь в форме углекислого газа, диффундирующего в атмосферу и переносимого воздушными течениями. Суммарное количество углекислого газа в атмосфере планеты составляет не менее 2,3∙1012 т., в то время как содержание его в Мировом океане оценивается в 1,3∙1014 т. В литосфере в связанном состоянии находится 2∙1017 т. углекислого газа. Значительное количество углекислого газа содержится и в живом веществе биосферы (около 1,5∙1012 т.), т.е. почти столько, сколько во всей атмосфере. Углекислый газ атмосферы и гидросферы обменивается и обновляется живыми организмами за 395 лет.
6. Круговорот воды Наряду с биологическим круговоротом атомов в биосфере протекает и другой грандиозный круговорот – воды. Это и водообмен океаны-материки, когда вода, испаряясь с поверхности океана, переносится ветрами на континенты и с речным стоком снова возвращается в океан, и маленькие круговороты отдельного ландшафта, когда испарение воды в теплую погоду приводит к облачности и выпадению осадков. С энергетической точки зрения здесь во всех случаях имеет место одна и та же последовательность: солнечная энергия, затраченная на испарение воды, заряжает ее молекулы энергией, которая после конденсации паров воды и выпадения осадков на земную поверхность реализуется в кинетической энергии рек и ручьев. Так же, как и для отдельного живого организма, геологический эффект деятельности каждой дождевой капли, небольшого ручья – ничтожны, но, суммируясь, эти капли и ручьи дают могучие реки, которые за геологические периоды разрушают горные хребты. Круговорот воды до известной степени можно сравнивать с биологическим круговоротом, так как источником энергии в обоих случаях служит излучение Солнца. Только круговорот воды – главный агент механической работы, а биологический – химической. Правда, вода тоже выполняет химическую работу (растворение, выветривание и т.д.), но она осуществляется при участии живого вещества: или за счет организмов, находящихся в водах, или за счет продуктов их жизнедеятельности – CO2, гумуса и других химически активных веществ. Круговорот воды в геологическом времени не замкнут. Большие массы воды поступают в биосферу при вулканических извержениях, а также из зоны метаморфизма в результате отжатия воды при уплотнении глинистых пород, превращения их в сланцы. С другой стороны, в биосфере протекают многочисленные процессы гидратации, связывающие воду в составе различных глинистых и прочих минералов. При прогибании земной коры в геосинклинальных зона эти гидратированные толщи оказываются на больших глубинах вне биосферы, и воды надолго изымаются из круговорота.
Круговорот воды
7. Геохимический цикл азота В круговороте соединений азота чрезвычайно большую роль играют микроорганизмы: азотфиксаторы, нитрификаторы, денитрификаторы. Все остальные организмы влияют на цикл азота только после ассимиляции его в состав своих клеток. Бобовые и представители некоторых родов других сосудистых растений, например ольха (Alnus), казуарина (Casuarina), араукария (Araucaria), гинкго (Ginkgo), лох (Eleganus), фиксируют азот только с помощью бактерий-симбионтов. Подобным же образом некоторые лишайники фиксируют азот с помощью симбиотических сине-зеленых водорослей. Таким образом, биологическая фиксация молекулярного азота свободноживущими и симбиотическими микроорганизмами происходит и в автотрофном, и гетеротрофном ярусах экосистем. Для круговорота азота необходим микроэлемент молибден, входящий в состав системы азотфиксирующих ферментов. В некоторых условиях молибден служит лимитирующим фактором. Фиксировать азот способны лишь немногие роды микроорганизмов, весьма широко распространенных в природе: свободноживущие аэробные бактерии рода азотобактер (Azotobacter) и анаэробные виды рода клостридиум (Clostridium); симбиотические клубеньковые бактерии бобовых растений (Rhizobium); сине-зеленые водоросли: виды родов анабена (Anabaena) и носток (Nostoc). Азот фиксируют также пурпурные и зеленые фотосинтезирующие бактерии, различные почвенные бактерии. Общее количество азота в атмосфере оценивается приблизительно в 3,8∙1015 т., тогда как в водах Мирового океана – в 2,0∙1013 т. Азотфиксирующие организмы суши ежегодно улавливают около 4,4∙109 т., а в водной среде ежегодная биологическая фиксация составляет 1,0∙109 т. Надо отметить, что количество ежегодно фиксируемого живыми организмами азота в океане и на суше различается лишь в 4 с небольшим раза. В то же время содержание азота в наземных организмах (моментальная масса) составляет 1,22∙1010 т. а в донных организмах – всего 0,025∙1010 т. (в 50 раз меньше). В биосфере в целом фиксация азота из воздуха составляет в среднем за год 140-700 мг/ м2. В основном это биологическая фиксация, а лишь небольшое количество азота (в умеренных областях не более 35 мг/ м2 в год) фиксируется в результате электрических разрядов и фотохимических процессов.
Круговорот азота в биосфере В фотической зоне небольших озер фиксация азота происходит со скоростью 1-50 мкг/ л в день; высокая интенсивность фиксации отмечена также в некоторых загрязненных озерах с множеством сине-зеленых водорослей. В океане, где продуктивность ниже, интенсивность фиксации азота в расчете на 1 м2 меньше, чем на суше, однако общее количество фиксированного азота является значительным и весьма важным для глобального круговорота.
В круговороте азота из огромного запаса этого элемента в атмосфере и осадочной оболочке литосферы принимает участие только фиксированный азот, усваиваемый живыми организмами суши и океана. В эту категорию азота обменного фонда входят: азот годичной продукции биомассы, азот биологической фиксации бактериями и другими организмами, ювенильный (вулканогенный) азот, атмосферный (фиксированный при грозах) и техногенный.
На огромных массивах, где деятельность человека почти отсутствует, растения берут необходимый им азот из вносимого в почву азота извне (нитратов с дождями, аммиака из воздуха), из возвращаемого в почву азота (остатков животных, растений, экскрементов животных), а также из разнообразных азотфиксирующих организмов. Особое внимание привлекают несимбиотические свободноживущие так называемые олигонитрофильные микроорганизмы, способные расти при ничтожно малом содержании связанного азота в среде. Многие исследователи находят их в почве и ризосфере в довольно больших количествах. Например, в почве и ризосфере растительных сообществ сухопутной и пустынно-степной подзон Центрального Казахстана и МНР содержится достаточно много олигонитрофильных микроорганизмов. При анализе почв создается впечатление о значительном преобладании олигонитрофильных бактерий над другими в засушливые периоды, что свидетельствует о высокой устойчивости их к недостатку влаги.
8. Круговорот фосфора Геохимический цикл фосфора в большой мере отличается от циклов углерода и азота. Кларк этого элемента в земной коре равен 0,093%. Это в несколько десятков раз больше кларка азота, но в отличие от последнего фосфор не играет роли одного из главных элементов оболочек Земли. Тем не менее его геохимический цикл включает в себя разнообразные пути миграции в земной коре, интенсивный биологический круговорот и миграцию в гидросфере. Фосфор является одним из главных органогенных элементов. Органические соединения фосфора играют важную роль в процессах жизнедеятельности всех растений и животных, входят в состав нуклеиновых кислот, сложных белков, фосфолипидов мембран, являются основой биоэнергетических процессов. Фосфор концентрируется живым веществом, где его содержание примерно в 10 раз больше, чем в земной коре. На поверхности суши протекает интенсивный круговорот фосфора в системе почва → растения → животные → почва. В связи с тем, что минеральные соединения фосфора труднорастворимы и содержащийся в них элемент почти недоступен растениям, последние преимущественно используют его легкорастворимые формы, образующиеся при разложении органических остатков. Круговорот фосфора происходит и в системе суша → Мировой океан, основой которого является вынос фосфатов с речным стоком, взаимодействие их с кальцием, образование фосфоритов, залежи которых со временем выходят на поверхность и снова включаются в миграционные процессы.
Круговорот фосфора в биосфере
9. Круговорот серы В биосфере существует хорошо развитый процесс циклических превращений серы и ее соединений. На рисунке приведена схема биогеохимического круговорота серы.
Круговорот серы в биосфере Здесь хорошо видны многие основные черты круговорота, например, обширный резервный фонд в почве и отложениях и меньший – в атмосфере. Основную роль в обменном фонде серы играют специализированные микроорганизмы, каждый вид которых выполняет определенную реакцию окисления или восстановления. На схеме представлена также микробная регенерация серы из глубоководных отложений, в результате которой к поверхности перемещается сероводород (H2S); взаимодействие геохимических и метеорологических процессов (эрозия, осадкообразование, выщелачивание, дождь, адсорбция, десорбция и т.д.); биологические процессы (продукция биомассы и ее разложение); взаимосвязь воздуха, воды и почвы в регуляции круговорота серы в глобальном масштабе. Сульфат (SO2-4) аналогично нитрату и фосфату – основная доступная форма серы, которая восстанавливается автотрофами и включается в белки (сера входит в состав ряда аминокислот). На круговоротах азота и серы все больше сказывается промышленное загрязнение воздуха. Сжигание ископаемого топлива значительно увеличило содержание летучих окислов азота (NO и NO2) и серы (SO2) в воздухе, особенно в городах; концентрации их уже становятся опасными для биотических компонентов экосистем.
10. Эпилог Иногда, когда удается отвлечься от мирских забот и проблем, всего лишь на миг выпрыгнуть из бесконечного круговорота жизни, то задумываешься над тем как ничтожна частичка единого целого по сравнению с ним самим: как мал человек по сравнению с человечеством, как мал химический элемент по сравнению со всем, что имеет его в своем составе, как мала планета по сравнению со вселенной. В итоге приходишь к выводу о бесполезности одной человеческой жизни. Тогда начинает казаться, что стоит выпасть один раз из бесконечной жизненной карусели, как окажешься не у дел, и мир благополучно забудет о твоем существовании. Конечно останутся связанные с тобой частички – родственники, друзья, знакомые, но карусель не остановится и "Life goes on", как пели легендарные Beatles. Поразительно, как много страховочных тросов протянула природа в своем мире. Везде, где только можно существует определенный запас прочности: человек может жить и без руки или ноги, на подстриженном газоне вырастет новая трава, река может течь и по измененному руслу. Наш Творец устроил все до гениального просто и одновременно чрезвычайно сложно. Извлеки одну шестеренку из механизма и на ее место найдется другая. Мир просто нельзя разрушить, уничтожив какие-то простейшие его элементы. С другой стороны, все в природе построено на простейших элементах, уничтожив которые можно разрушить целую экосистему. Понимание того, что и как происходит в жизни "простейших", человек скапливал и анализировал веками. Жаль, что поняв законы природы или, хотя бы малую их часть он не всегда следовал им, ломая прочную и одновременно хрупкую структуру биосферы. Данный реферат имел своей целью лишь немного показать значимость и сложность геохимических циклов, являющихся одними из центральных глобальных процессов в биосфере, нарушив которые можно серьезно испортить природный карточный домик, а возможно и запустить цепную реакцию, конечной целью которой будет Глобальная экологическая катастрофа.
11. Список используемой литературы 1. Вернадский В. И. Биосфера. – М.: Мысль, 1967. 2. Перельман А. И. Геохимия биосферы. – М.: Наука, 1973.
3. Бургеля Н. К., Мырлян Н. Ф. Геохимия и окружающая среда. – М.: Штиинца, 1985.