Биогеохимические круговороты основных химических элементов

12

Биогеохимические круговороты основных химических элементов

Введение

Возникновение на Земле живой материи обусловило возможность беспрерывной циркуляции в биосфере химических элементов, перехода их из внешней среды в организмы и обратно. Эта циркуляция химических элементов и получила название биогеохимических круговоротов. Биогеохимический круговорот представляет собой часть биотического круговорота, включающую обменные циклы химических элементов абиотического происхождения, без которых не может существовать живое вещество (углерод, кислород, водород, азот, фосфор, сера и многие другие). Обычно выделяют три основных типа биогеохимических круговоротов: круговорот воды, круговороты газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере или гидросфере (океан), осадочные циклы химических элементов с резервным фондом в земной коре.

Круговорот воды

Вода -- основной элемент, необходимый для жизни. В количественном отношении это наиболее распространенная неорганическая составляющая живой материи.

В океанах сосредоточено 97 % общей массы воды биосферы. Предполагают, что суммарное испарение уравновешивается выпадением осадков. Из океана испаряется больше воды, чем поступает в него с осадками, на суше -- наоборот. «Лишние» осадки, выпадающие на суше, попадают в ледяные шапки и ледники, пополняют грунтовые воды (оттуда растения черпают воду для транспирации), наконец, оказываются в озерах и реках, возвращаясь постепенно со стоком в океан. В основном круговорот воды происходит между атмосферой и океаном.

Наличие в атмосфере значительного резервного фонда благоприятствует тому, что круговороты некоторых газообразных веществ способны к достаточно быстрой саморегуляции при различных локальных нарушениях равновесия. Так, избыток диоксида углерода, накопившегося где-либо в результате усиленного окисления или горения, быстро рассеивается ветром; кроме того, интенсивное образование диоксида углерода компенсируется большим его потреблением растениями или превращением в карбонаты. В конечном итоге в результате саморегуляции по типу отрицательной обратной связи круговороты газообразных веществ в глобальном масштабе относительно совершенны. Основными такими циклами являются круговороты углерода (в составе диоксида углерода), азота, кислорода, фосфора, серы и других биогенных элементов.

Круговорот углерода

На суше он начинается с фиксации диоксида углерода растениями в процессе фотосинтеза с образованием органических веществ и побочным выделением кислорода. Часть связанного углерода выделяется во время дыхания растений в составе СО2

Почвенные грибы в зависимости от скорости роста выделяют от 200 до 2000 см³ СО₂ на 1 г сухой массы. Немало диоксида углерода выделяют бактерии, которые в пересчете на живую массу дышат в 200 раз интенсивнее человека. Диоксид углерода выделяется также корнями растений и многочисленными живыми организмами. Микроорганизмы разлагают отжившие растения и погибших животных, в результате чего углерод мертвого органического вещества окисляется до диоксида углерода и снова попадает в атмосферу.

Между сушей и Мировым океаном постоянно идут процессы миграции углерода, в которых преобладает вынос его в форме карбонатных и органических соединений с суши в океан. Из Мирового океана на сушу углерод поступает в незначительных количествах в форме СО2, выделяемого в атмосферу. Углекислый газ атмосферы и гидросферы обменивается и обновляется живыми организмами за 395 лет.

Круговорот азота

Так же, как круговорот углерода и другие круговороты, охватывает все области биосферы. В круговороте соединений азота ключевое значение принадлежит микроорганизмам: азотфиксаторам, нитрификаторам и денитрификаторам. Другие же организмы оказывают влияние на круговорот азота лишь после того, как он войдет в состав их клеток. Как известно, бобовые и представители некоторых родов других сосудистых растений (например, ольха, араукария, лох) фиксируют азот с помощью бактерий-симбионтов. То же наблюдается и у некоторых лишайников, фиксирующих азот с помощью симбиотических сине-зеленых водорослей. Очевидно, что биологическая фиксация молекулярного азота свободноживущими и симбиотическими организмами происходит и в автотрофном, и в гетеротрофном звеньях экосистем.

Из огромного запаса азота в атмосфере и осадочной оболочке литосферы в круговороте его участвует только фиксированный азот, усваиваемый живыми организмами суши и океана. В категорию обменного фонда этого элемента входят: азот годичной продукции биомассы, азот биологической фиксации бактериями и другими организмами, ювенильный (вулканогенный) азот, атмосферный (фиксированный при грозах) и техногенный

Нетрудно заметить, что, за исключением растительности тундры, где содержание азота и зольных элементов примерно одинаково, в растительности почти всех других типов масса азота в 2... 3 раза меньше массы зольных элементов. Количество элементов, оборачивающихся в течение года (т.е. емкость биологического круговорота), наибольшее в тропических лесах, затем в черноземных степях и широколиственных лесах умеренного пояса (дубравах).

Круговорот кислорода

В круговороте кислорода отчетливо выражены активная геохимическая деятельность живого вещества, его первостепенная роль в этом процессе. Биогеохимический цикл кислорода является планетарным процессом, который связывает атмосферу и гидросферу с земной корой. Ключевые звенья этого круговорота: образование свободного кислорода при фотосинтезе в зеленых растениях, потребление его для осуществления дыхательных функций всеми живыми организмами, для реакции окисления органических остатков и неорганических веществ (например, сжигания топлива) и другие химические преобразования, ведущие к образованию таких окисленных соединений, как диоксид углерода и вода, и последующему вовлечению их в новый цикл фотосинтетических превращений.

Следует также учитывать использование кислорода для процесса горения И других видов антропогенной деятельности. Предполагается, что в обозримой перспективе ежегодное суммарное потребление кислорода достигнет 210...230 млрд. т. Между тем ежегодное продуцирование этого газа всей фитосферой составляет 240 млрд. т.

Круговорот фосфора

Кларк этого элемента в земной коре равен 0,093 %, что в несколько десятков раз больше кларка азота. Однако в отличие от последнего фосфор не играет роли одного из главных элементов оболочек Земли. Тем не менее геохимический цикл фосфора включает разнообразные пути миграции в земной коре, интенсивный биологический круговорот и миграцию в гидросфере. Фосфор -- один из главных органогенных элементов. Его органические соединения 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 почти в 10 раз выше, чем в земной коре. На суше протекает интенсивный круговорот фосфора в системе почва--растения--животные--почва.

Круговорот серы

В биосфере сформировался достаточно развитый процесс циклических преобразований серы и ее соединений. Выделяются резервные фонды этого элемента в почве и отложениях (довольно обширные), а также в атмосфере (небольшие). В обменном фонде серы основная роль принадлежит специализированным микроорганизмам, одни виды которых выполняют реакцию окисления, другие -- восстановления. На круговоротах азота и серы все больше сказывается промышленное загрязнение воздуха. Сжигание ископаемого топлива существенно увеличивает поступление в атмосферу (и. разумеется, содержание в ней) летучих окислов азота (NО и NО2,) и серы (SO2), особенно в городах. Нынешняя концентрация этих ингредиентов уже становится опасной для биотических компонентов экосистем.

Круговорот калия

Калий, как известно, принимает участие в процессах фотосинтеза, оказывает влияние на углеводный, азотный и фосфорный обмен, существенным образом сказывается на осмотических свойствах клеток. Он концентрируется в плодах и семенах, в интенсивно растущих тканях и органах растений.

Пока что малоизученным остается круговорот калия в водной среде. Каждый год с водным стоком в Мировой океан поступает около 90 млн т этого элемента. Какая-то часть поглощается водными организмами, но значительное количество нигде не фиксируется, и последующее его перемещение неизвестно.

Важной составной частью круговоротов является ионный и твердый сток. Круговорот химических элементов проходит, как правило, сразу в нескольких сопредельных оболочках Земли (атмосфере и гидросфере, гидросфере и педосфере) либо во всех трех геосферах одновременно. Надежность и постоянство осуществления круговоротов обеспечиваются регулярным обменом веществ и энергией между геосферами. Такого рода направленная связь наглядно проявляется на примере ионного стока, представляющего собой процесс выноса реками с суши химических элементов в ионном растворенном состоянии в Мировой океан. Поступившие в ионной форме химические элементы, как и на суше, в водной среде подвергаются воздействию живых организмов, продолжая круговорот. Миграция химических элементов в растворенном состоянии представляет собой гигантский планетарный процесс.

Твердое вещество поверхности Земли не остается неподвижным. Оно также участвует в миграции, перемещаясь поверхностными водами суши. Поверхностные воды наряду с элементами, мигрирующими в растворенном состоянии или с коллоидными частицами, переносят огромные массы обломков горных порол и минералов, называемые твердым стоком (по аналогии со стоком воды). Значительная часть твердого стока перемещается в пределах суши, но и объемы, попадающие в моря, достаточно велики. В Мировой океан с континентов поступает каждый год 22,13 млрд т обломочного и глинистого материала, что примерно в 7 раз превышает количество выносимых растворенных веществ.

Биотехносфера и ноосфера

Своеобразие биогеохимических циклов миграции. Биосфера -- не только идеально организованная система, но своеобразный «механизм», в котором связь и соотношение между живым и косным веществом подчиняются строгим закономерностям, таким же непреложным, как законы движения небесных светил. Геохимически эти функции жизни осуществляются благодаря размножению организмов. Живое вещество преодолевает сопротивление среды, стремиться распространиться на свободную территорию.

Скорость размножения -- это скорость передачи в биосфере геохимической энергии. Она зависит не только от астрономических параметров, но и от скорости распространения солнечно луча в среде, от размеров организмов, от заключенной в них геохимической энергии.

Существенная особенность живого вещества -- его отличие от «косной» среды по пространственным и временным характеристикам. Живому веществу соответствуют особые, только ему присущие пространство и время.

Время индивидуального бытия живых организмов связано с неуклонно идущим процессом старения и смертью, имеющими положительное значение для эволюционного процесса, поскольку недолговечность живых существ обеспечивает не только длительный и непрерывный круговорот биогенного материала, но и значительную изменчивость морфологических форм.

Воздействие человека на биосферу

С ростом масштабов использования природных ресурсов, обусловленных промышленной революцией, антропогенное влияние на биосферу и ее компоненты объективно увеличивается. Закономерный и многосторонний процесс роста производительных сил существеннейшим образом расширил спектр воздействия человека на природу (в том числе и негативного). Вернадский отмечал, что производственная деятельность человека приобретает масштабы, сравнимые с геологическими преобразованиями. Так, к сведению лесов, распашке целинных земель, эрозии и засолению почв, снижению биоразнообразия добавились новые постоянно действующие механические и физико-химические факторы, усугубляющие экологический риск.

Человек эксплуатирует уже более 55 % суши, использует около 13 % речных вод, скорость сведения лесов достигает 18 млн. га в год.

Воздействие на биосферу сводится к четырем главным формам:

-- изменение структуры земной поверхности (распашка степей, вырубка лесов, мелиорация, создание искусственных озер и морей, другие изменения режима поверхностных вод и т. д.):

--изменения состава биосферы, круговорота и баланса слагающих ее веществ (изъятие полезных ископаемых, образование отвалов, выброс различных веществ в атмосферу и в водные объекты, изменение влагооборота);

-- изменение энергетического, в частности теплового, баланса отдельных районов земного шара, опасное для всей планеты;

--изменения, вносимые в биоту (совокупность живых организмов) в результате истребления некоторых видов, создания новых пород животных и сортов растений, перемещения их на новые места обитания.

Рассматривая роль человека в эволюции биосферы, характеризуют нарушение человеком основных принципов естественного устройства биосферы.

1. Аккумулируя энергию в виде сложных органических соединений и рассеивая ее в виде тепла, природа создала эволюционно сложившийся тепловой баланс, который человек нарушает. При добыче энергоресурсов человек разрушает почвы, гибнет или деградирует растительный покров, загрязняются водные объекты и атмосфера, формируются отвалы пород, что приводит, в частности, к подъему уровня грунтовых вол и появлению в окружающей местности контурного кольца из озер, болот и т. д.

2. Биогеохимичсские цыклы биогенных элементов, участвующих в природных круговоротах, отработаны эволюционно и не приводят к накоплению отходов. Человек же использует вещество планеты крайне неэффективно; при этом образуется огромное количество отходов, многие из которых переводятся из пассивной формы, в которой они находились в природной среде, в активную, токсичную форму. В результате биосфера «обогащается» несвойственными ей соединениями, т.е. нарушается естественное соотношение химических элементов и веществ.

3. При огромном многообразии видов конкурентные и хищнические отношения между ними способствуют установлению биологического равновесия. Путь человечества, к сожалению, отмечен гибелью многих представителей флоры и фауны. По некоторым данным, на Земле исчезает ежедневно один биологический вид.

4. Деятельность людей привела к нарушению популяционной стабильности. Растет количество сопутствующих человеку видов (крыс, тараканов и т. д.), а численность многих других популяций, напротив, сокращается, причем иногда в катастрофических размерах, что ставит вид под угрозу полного исчезновения.

5. Расширяя хозяйственную деятельность, люди в короткие сроки меняют параметры экологических факторов; многие виды не успевают приспособиться к таким быстрым изменениям.

Комплекс антропогенных факторов, влияющих на состояние биосферы, на здоровье населения, исключительно разнообразен.

Биотехносфера

Биотехносфера - это область пашей планеты, в которой существуют живое вещество и созданные человеком урбано-технические объекты и где проявляются их взаимодействие и влияние на внешнюю среду. Биотехносфера - сложный конгломерат многих подсистем, которыми управляет человек. Эти подсистемы не аккумулируют, а расходуют энергию, биомассу и кислород биосферы.

Биотехносфера и составляющие ее техногенные подсистемы расположены в биосфере, но они не обладают большинством свойств и функций, которые присущи природным экосистемам.

Пока существует человечество, биотехносфера будет развиваться. Но бнотехносфера должна пребывать в состоянии экологического самообеспечения, согласованного с законами природы и удовлетворяющего нуждам человеческого общества. При этом общество должно целенаправленно и разумно воздействовать на силы природы.

Ноосфера

Ноосфера -- высшая стадия развития биосферы, характеризующаяся сохранением всех естественных закономерностей, присущих биосфере (при высоком уровне развития производительных сил, научной организации воздействия общества на природу), максимальными возможностями общества удовлетворять материальные и культурные потребности человека.

Ноосфера--это новое состояние биосферы, основанное на универсальной связи природы и общества, когда дальнейшая эволюция планеты Земли сделается направляемой разумом.

Необходимость перевода биосферы в ноосферу он рассматривает в качестве гаранта выживания современного человека.

Переход к ноосфере -- это непростой и небыстрый процесс выработки принципов согласованных действии, нового поведения людей, смена стандартов, перестройка всего бытия. Человечество должно приступить к разумному регулированию своей численности и существенно снизить негативное давление на природу, а в последующем разработать глубоко обоснованные технологии построения ноосферы на базе сохранения биосферы как обязательного условия жизни.