Круговороты в биосфере. Круговорот углерода, азота, фосфора, кислорода,воды Большой и малый круговорот воды в биосфере

Рассмотрите рисунки 230-234. Какие химические соединения используют организмы в круговоротах веществ? Какое значение имеют процессы фотосинтеза, испарения воды, дыхания, азотофиксации для обеспечения круговоротов веществ и потока энергии в биосфере?

Все составляющие биосферу компоненты и происходящие в ней процессы тесно взаимосвязаны. Стабильность биосферы поддерживается постоянно происходящими в ней круговоротами веществ и превращением энергии. Круговороты разнообразны по масштабам и качеству явлений, например, круговорот воды, круговорот углерода, круговорот азота. Они осуществляются с участием всех компонентов биосферы и входят в состав единого биогеохимического круговорота.

Биогеохимический круговорот - обмен веществ и превращение энергии между различными компонентами биосферы, связанные с деятельностью ее организмов.

Основной движущей силой биогеохимического круговорота является непрерывно происходящий в биосфере поток энергии, связанный с деятельностью живого вещества.

Организмы нуждаются в энергии для поддержания своей жизнедеятельности. Энергия в биосфере существует в нескольких формах. Известны механическая, химическая, тепловая, электрическая и другие формы энергии. Переход одной формы энергии в другую, называемый преобразованием энергии, подчиняется закону сохранения энергии, который гласит, что энергия может превращаться из одной формы в другую, но не может быть создана или уничтожена.

Основной источник энергии в биосфере - это энергия Солнца (рис. 228). Она нагревает атмосферу и гидросферу, вызывает передвижение воздушных масс, океанических течений, испарение воды, таяние снега. Автотрофные организмы, главным образом зеленые растения, в результате реакций фотосинтеза преобразуют солнечную энергию в энергию химических связей созданных органических веществ. Значительная часть ее расходуется самими растениями на процессы жизнедеятельности. Меньшая часть химической энергии растений передается дальше по пищевым цепям гетеротрофным организмам. Гетеротрофные организмы, главным образом животные, преобразуют химическую энергию в другие ее формы, например механическую, электрическую, тепловую, световую. Некоторая часть аккумулированной зелеными растениями солнечной энергии может накапливаться в биосфере в виде запасов древесины, торфа, угля и горючих сланцев.

Рис. 228. Поток энергии в биосфере

Следовательно, круговорота энергии в биосфере не происходит. Этот процесс не является замкнутым. В биосфере наблюдается лишь поток энергии, связанный с превращением одной ее формы в другую.

Круговорот воды. Вода играет важнейшую роль в биогеохимическом круговороте, так как живые тела в среднем на 80% состоят из нее, а Мировой океан занимает более 2/3 поверхности земного шара (рис. 229).

Рис. 229. Распределение воды на Земле

В пределах всей планеты круговорот воды осуществляется между морями, океанами и материками (рис. 230). Вода, испаряемая Солнцем с поверхности морей и океанов, переносится ветрами на материки, где выпадает в виде атмосферных осадков. Значительная часть воды при этом оказывается связанной, например в виде снега и льда, т. е. является временно недоступной для организмов. С речными и грунтовыми стоками вода затем постепенно возвращается в океаны.

Рис. 230. Круговорот воды в биосфере

Значительная часть воды, имеющейся на суше, поглощается из почвы растениями и затем в виде водяного пара испаряется листьями для предотвращения перегревания. Часть воды растения расходуют на процесс фотосинтеза. Животные воду получают с питьем и с пищей. Удаляется из животных организмов вода в составе выдыхаемого воздуха, пота и других выделений.

Наземные растения, главным образом из влажных экваториальных лесов, испаряя воду, уменьшают ее поверхностный сток и удерживают влагу в атмосфере. Это препятствует размыванию почвы осадками и разрушению ее верхнего плодородного слоя. Сокращение площади экваториальных лесов в результате их интенсивной вырубки человеком приводит к засухам в прилегающих районах земного шара.

Рис. 231. Круговорот углерода в биосфере

Круговорот углерода. Углерод в биосфере в основном представлен двуокисью углерода (углекислым газом). Основной ее первичный источник - это вулканическая деятельность. Связывание углекислого газа происходит двумя путями (рис. 231). Первый состоит в его поглощении растениями в процессе фотосинтеза с образованием органических веществ и последующим отложением их в виде торфа, угля, горючих сланцев (рис. 232). Второй путь состоит в том, что углекислый газ растворяется в водоемах, переходя в карбонат-ионы и гидрокарбонат-ионы. Затем с помощью кальция или магния происходит осаждение карбонатов на дно водоемов в виде известняков. Запасы углекислого газа в атмосфере постоянно пополняются благодаря дыханию организмов, процессам разложения органических остатков, а также от сжигания топлива и выбросов промышленности.

Рис. 232. Торфяные отложения - один из вторичных источников углерода в биосфере

Круговорот азота. Основным источником азота в биосфере служит газообразный атмосферный азот. В небольших количествах атмосферный азот связывается с кислородом воздуха в нитраты при грозовых разрядах (рис. 233).

Рис. 233. Газообразный азот в атмосфере при грозе связывается с кислородом воздуха в нитраты

Основное связывание атмосферного азота осуществляется азотфиксирующими бактериями, обитающими в почве (рис. 234). Они синтезируют нитриты и нитраты, которые становятся доступными для использования растениями. В растениях азот переходит в состав органических соединений, например белков, нуклеиновых кислот и АТФ. При разложении трупов погибших организмов или при выделении мочи у животных, азот поступает в почву в виде соединений аммиака. Они затем окисляются до нитритов и нитратов и снова используются растениями. Частично нитраты почвы восстанавливаются денитрифицирующими бактериями до газообразного азота. Так осуществляется восполнение запасов газообразного азота в атмосфере. Запас нитратов в почве пополняется также благодаря внесению в нее человеком неорганических азотных и органических удобрений.

Рис. 234. Круговорот азота в биосфере

Итак, непрерывно происходящие в биосфере круговороты воды, углерода, азота и превращение энергии образуют единый биогеохимический круговорот. Вещества и элементы в нем используются организмами многократно. Энергия, в отличии от них, используется организмами только один раз. Биогеохимический круговорот не имеет полной цикличности. Часть веществ из него исключается и может накапливаться в природе.

Упражнения по пройденному материалу

1. Что такое биогеохимический круговорот? Какими процессами он обеспечивается?
2. Опишите, как происходит круговорот воды в биосфере. Какова роль в нем растений и животных?
3. Как осуществляется круговорот углерода в биосфере? В каком виде углерод может накапливаться в природе?
4. Опишите, как происходит круговорот азота в биосфере. Какова роль в нем азотфиксирующих и денитрифицирующих бактерий?
5. Объясните, почему правильно говорить о происходящем в биосфере круговороте веществ и элементов, но неправильно говорить о круговороте энергии в биосфере?

Энергетический баланс биосферы - соотношение между поглощаемой и излучаемой энергией. Определяется приходом энергии Солнца и космических лучей, которая усваивается растениями в ходе фотосинтеза, часть преобразуется в другие виды энергии и еще часть рассеивается в космическом пространстве.

Круговорот в биосфере - повторяющиеся процессы превращений и пространственных перемещений веществ, имеющие определенное поступательное движение, выражающееся в качественных и количественных различиях отдельных циклов.

Выделяют два вида круговорота:

большой (геологический) (круговорот веществ протекает от нескольких тысяч до нескольких миллионов лет, включая в себя такие процессы, как круговорот воды и денудация суши. Денудация суши складывается из общего изъятия вещества суши (52990 млн.т/год), общего привноса вещества на сушу (4043 млн.т/год) и составляет 48947 млн.т/год. Антропогенное вмешательство ведет к ускорению денудации, приводя, например, к землетрясениям в зонах водохранилищ, построенных в сейсмоактивных районах)

малый (биотический) (круговорот вещества происходит на уровне биогеоценоза или биогеохимического цикла)

3. Круговорот важнейших химических элементов в биосфере: углерода, азота, фосфора, кислорода.

Углерод в биосфере часто представлен наиболее подвижной формой – C0 2 . Источником является вулканическая деятельность, связанная с вековой дегазацией мантии и нижних слоев земной коры.

Миграция C0 2 в биосфере Земли протекает двумя путями:

1-й путь закладывается в поглощение его в процессе фотосинтеза с образованием органических веществ и последующем захоронении их в литосфере в виде торфа, угля, горных сланцы, рассеянной органики, осадочных горных пород. Так, в далёкие геологические эпохи сотни млн. лет назад значительная часть фотосинтетического органического вещества не использовалась ни консументами, ни редуцентами, а накапливалась и постепенно погребалась под различными минеральными осадками. Находясь в породах млн. лет, этот детрит под действием высоких t и P (процесс метаморфизации) превращался в нефть, природный газ и уголь (в зависимости от исходного материала, продолжительности и условий пребывания в породах). Теперь в ограниченных количествах добывают это ископаемое топливо для обеспечения потребностей в энергии, а сжигая его, в определённом смысле завершают круговорот углерода.

По 2-му пути миграция С осуществляется созданием карбонатной системы в различных водоемах, где CO 2 переходит в H 2 CO 3 , HCO 3 1- , CO 3 2- . Затем с помощью растворенного в воде кальция происходит осаждение карбонатов CaCO 3 биогенным и абиогенным путями. Возникают мощные толщи известняков. Наряду с этим большим круговоротом углерода существует еще ряд малых его круговоротов на поверхности суши и в океане. В пределах суши, где существуют растения, CO 2 атмосферы поглощается в процессе фотосинтеза в дневное время. В ночное время часть его выделяется растениями во внешнюю среду. С гибелью растений и животных на поверхности происходит окисление органических веществ с образованием CO 2 . Особое место в современном круговороте веществ занимает массовое сжигание органических веществ и постепенное возрастание содержания CO 2 в атмосфере, связанное с ростом промышленного производства и транспорта.

Азот.

При гниении органических веществ значительная часть содержащегося в них азота превращается в NH 4 , который под влиянием живущих в почве трифицирующих бактерий окисляется в азотную кисл­оту. Она вступая в реакцию с находящимся в почве карбонатами (например с СаСО 3), образует нитраты:

2HN0 3 + СаСО 3  Са(NО 3) 2 + СО 2 + Н 2 0

Некоторая же часть азота всегда выделяется при гниении в свободном виде в атмосферу. Свободный азот выделяется также при горении органических веществ, при сжигание дров, каменного угля, торфа. Кроме того, существуют бактерии, которые при недостаточном доступе воздуха могут отнимать O 2 от нитратов, разрушая их с выделением свободного азота. Деятельность этих денитрифицирующих бактерий приводит к тому, что часть азота из доступной для зеленых растений формы (нитраты) пере­ходит в недоступную (свободный азот). Т.о., далеко не весь азот, входивший в состав погибших растений, возвращается обратно в почву; часть его постепенно выделяется в свободном виде. Непрерывная убыль минеральных азотных соединений давно должна была бы привести к полному прекращению жизни на Земле, если бы в природе не существовали процессы возмещения потери азота. К таким процессам относятся прежде всего про­исходящие в атмосфере электрические разряды, при которых всегда образуется некоторое количество оксидов азота; последние с водой дают азотную кислоту, превращаясь в почве в ни­траты. Другим источником попадания азотных соединений почвы является жизнедеятельность так называемых азотобактерий, способных усваивать атмосферный азот. Некоторые из этих бак­терий поселяются на корнях растений из семейства бобовых, вы­зывая образования характерных вздутий - «клубеньков». Усваи­вая атмосферный азот, клубеньковые бактерии перерабатывают его в азотные соединения, а растения, в свою очередь, превращают последние в белки и другие сложные вещества. Таким образом, в природе совершается непрерывный круговорот азота. Однако ежегодно с урожаем с полей убираются наиболее богатые белками части растений, например зерно. Поэтому в почву необходимо вносить удобрения, возмещающие убыль в ней важных элементов питания растений.

Фосфор входит в состав генов и молекул, переносящих энергию внутрь клеток. В различных минералах P содержится в виде неорганического фосфатиона (PO 4 3-). Фосфаты растворимы в воде, но не летучи. Растения поглощают PO 4 3- из водного раствора и включают фосфор в состав различных органических соединений, где он выступает в форме т.н. органического фосфата. По пищевым цепям P переходит от растений ко всем прочим организмам экосистемы. При каждом переходе велика вероятность окисления содержащегося P соединения в процессе клеточного дыхания для получения органической энергии. Когда это происходит, фосфат в составе мочи или ее аналога вновь поступает в окружающую среду, после чего снова может поглощаться растениями и начинать новый цикл. В отличие, например, от CO 2 , который, где бы он ни выделялся в атмосферу, свободно переносится в ней воздушными потоками, пока снова не усвоится растениями, у фосфора нет газовой фазы и, следовательно, нет «свободного возврата» в атмосферу. Попадая в водоемы, фосфор насыщает, а иногда и перенасыщает экосистемы. Обратного пути, по сути дела, нет. Что-то может вернуться на сушу с помощью рыбоядных птиц, но это очень небольшая часть общего количества, оказывающаяся к тому же вблизи побережья. Океанические отложения фосфата со временем поднимаются над поверхностью воды в результате геологических процессов, но это происходит в течение миллионов лет.

Кислород. Кислород - наиболее активный газ. В пределах биосферы происходит быстрый обмен кислорода среды с живыми организмами или их остатками после гибели.

В составе земной атмосферы кислород занимает второе место после азота. Господствующей формой нахождения кислорода в атмосфере является молекула О2. Круговорот кислорода в биосфере весьма сложен, поскольку он вступает во множество химических соединений минерального и органического миров.

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.

Является выдающийся русский ученый академик В.И. Вернадский.

Биосфера — сложная наружная оболочка Земли, в которой содержится вся совокупность живых организмов и та часть вещества планеты, которая находится в процессе непрерывного обмена с этими организмами. Это одна из важнейших геосфер Земли, являющаяся основным компонентом природной среды, окружающей человека.

Земля состоит из концентрических оболочек (геосфер) как внутренних, так и внешних. К внутренним относятся ядро и мантия, а к внешним: литосфера - каменная оболочка Земли, включая земную кору (рис. 1) толщиной от 6 км (под океаном) до 80 км (горные системы); гидросфера - водная оболочка Земли; атмосфера — газовая оболочка Земли, состоящая из смеси различных газов, водяных паров и пыли.

На высоте от 10 до 50 км расположен слой озона, с максимальной его концентрацией на высоте 20-25 км, защищающий Землю от чрезмерного ультрафиолетового излучения, гибельного для организма. Сюда же (к внешним геосферам) относится и биосфера.

Биосфера - внешняя оболочка Земли, в которую входят часть атмосферы до высоты 25-30 км (до озонового слоя), практически вся гидросфера и верхняя часть литосферы примерно до глубины 3 км

Рис. 1. Схема строения земной коры

(рис. 2). Особенность этих частей состоит в том, что они населены живыми организмами, составляющими живое вещество планеты. Взаимодействие абиотической части биосферы — воздуха, воды, горных пород и органического вещества - биоты обусловило формирование почв и осадочных пород.

Рис. 2. Структура биосферы и соотношение поверхностей, занятых основными структурными единицами

Круговорот веществ в биосфере и экосистемах

Все доступные для живых организмов химические соединения в биосфере ограничены. Исчерпаемость пригодных для усвоения химических веществ часто тормозит развитие тех или иных групп организмов в локальных участках суши или океана. По выражению академика В.Р. Вильямса, единственный способ придать конечному свойства бесконечного состоит в том, чтобы заставить его вращаться по замкнутой кривой. Следовательно, устойчивость биосферы поддерживается благодаря круговороту веществ и потокам энергии. Имеются два основных круговорота веществ: большой — геологический и малый — биогеохимический.

Большой геологический круговорот (рис. 3). Кристаллические горные породы (магматические) под воздействием физических, химических и биологических факторов преобразуются в осадочные породы. Песок и глина — типичные осадки, продукты преобразования глубинных пород. Однако формирование осадков происходит не только за счет разрушения уже существующих пород, но также и путем синтеза биогенных минералов — скелетов микроорганизмов — из природных ресурсов — вод океана, морей и озер. Рыхлые водянистые осадки по мере их изоляции на дне водоемов новыми порциями осадочного материала, погружения на глубину, попадания в новые термодинамические условия (более высокие температуры и давления) теряют воду, отвердевают, преобразуясь при этом в осадочные горные породы.

В дальнейшем эти породы погружаются в еше более глубокие горизонты, где и протекают процессы их глубинного преобразования к новым температурным и барическим условиям, — происходят процессы метаморфизма.

Под воздействием потоков эндогенной энергии глубинные породы переплавляются, образуя магму — источник новых магматических пород. После поднятия этих пород на поверхность Земли, под действием процессов выветривания и переноса снова происходит их трансформация в новые осадочные породы.

Таким образом, большой круговорот обусловлен взаимодействием солнечной (экзогенной) энергии с глубинной (эндогенной) энергией Земли. Он перераспределяет вещества между биосферой и более глубокими горизонтами нашей планеты.

Рис. 3. Большой (геологический) круговорот веществ (тонкие стрелки) и изменение разнообразия в земной коре (сплошные широкие стрелки — рост, прерывистые — уменьшение разнообразия)

Большим круговоротом называется и круговорот воды между гидросферой, атмосферой и литосферой, который движется энергией Солнца. Вода испаряется с поверхности водоемов и суши и затем вновь поступает на Землю в виде осадков. Над океаном испарение превышает осадки, над сушей наоборот. Эти различия компенсируют речные стоки. В глобальном круговороте воды немаловажную роль играет растительность суши. Транспирация растений на отдельных участках земной поверхности может составить до 80-90% выпадающих здесь осадков, а в среднем по всем климатическим поясам — около 30%. В отличие от большого малый круговорот веществ происходит лишь в пределах биосферы. Взаимосвязь большого и малого круговорота воды показана на рис. 4.

Круговороты планетарного масштаба создаются из бесчисленных локальных циклических перемещений атомов, движимых жизнедеятельностью организмов в отдельных экосистемах, и тех перемещений, которые вызваны действием ландшафтных и геологических причин (поверхностный и подземный сток, ветровая эрозия, движение морского дна, вулканизм, горообразование и т.п.).

Рис. 4. Взаимосвязь большого геологического круговорота (БГК) воды с малым биогеохимическим круговоротом (МБК) воды

В отличие от энергии, которая однажды использована организмом, превращается в тепло и теряется, вещества в биосфере циркулируют, создавая биогеохимические круговороты. Из девяноста с лишним элементов, встречающихся в природе, живым организмам нужно около сорока. Наиболее важные для них требуются в больших количествах — углерод, водород, кислород, азот. Круговороты элементов и веществ осуществляются за счет саморегулирующих процессов, в которых участвуют все составные части . Эти процессы являются безотходными. Существует закон глобального замыкания биогеохимического круговорота в биосфере , действующий на всех этапах ее развития. В процессе эволюции биосферы увеличивается роль биологического компонента в замыкании биогеохимичес
кого круговорота. Еще большее влияние на биогеохимический круговорот оказывает Человек. Но его роль проявляется в противоположном направлении (круговороты становятся незамкнутыми). Основу биогеохимического круговорота вешеств составляют энергия Солнца и хлорофилл зеленых растений. Другие наиболее важные круговороты — воды, углерода, азота, фосфора и серы — связаны с биогеохимическим и способствуют ему.

Круговорот воды в биосфере

Растения используют водород воды при фотосинтезе в построении органических соединений, выделяя молекулярный кислород. В процессах дыхания всех живых существ, при окислении органических соединений вода образуется вновь. В истории жизни вся свободная вода гидросферы многократно прошла циклы разложения и новообразования в живом веществе планеты. В круговорот воды на Земле ежегодно вовлекается около 500 000 км 3 воды. Круговорот воды и ее запасы показаны на рис. 5 (в относительных величинах).

Круговорот кислорода в биосфере

Своей уникальной атмосферой с высоким содержанием свободного кислорода Земля обязана процессу фотосинтеза. С круговоротом кислорода тесно связано образование озона в высоких слоях атмосферы. Кислород освобождается из молекул воды и является по сути побочным продуктом фотосинтетической активности растений. Абиотическим путем кислород возникает в верхних слоях атмосферы за счет фотодиссоциации паров воды, но этот источник составляет лишь тысячные доли процента от поставляемых фотосинтезом. Между содержанием кислорода в атмосфере и гидросфере существует подвижное равновесие. В воде его примерно в 21 раз меньше.

Рис. 6. Схема круговорота кислорода: полужирные стрелки — основные потоки поступления и расхода кислорода

Выделившийся кислород интенсивно расходуется на процессы дыхания всех аэробных организмов и на окисление разнообразных минеральных соединений. Эти процессы происходят в атмосфере, почве, воде, илах и горных породах. Показано, что значительная часть кислорода, связанного в осадочных породах, имеет фотосинтетическое происхождение. Обменный фонд О, в атмосфере составляет не более 5% общей продукции фотосинтеза. Многие анаэробные бактерии также окисляют органические вещества в процессе анаэробного дыхания, используя для этого сульфаты или нитраты.

На полное разложение органического вещества, создаваемого растениями, требуется точно такое же количество кислорода, которое выделилось при фотосинтезе. Захоронение органики в осадочных породах, углях, торфах послужило основой поддержания обменного фонда кислорода в атмосфере. Весь имеющийся в ней кислород проходит полный цикл через живые организмы примерно за 2000 лет.

В настоящее время значительная часть кислорода атмосферы связывается в результате работы транспорта, промышленности и других форм антропогенной деятельности. Известно, что человечество тратит уже более 10 млрд т свободного кислорода из общего его количества в 430-470 млрд т, поставляемого процессами фотосинтеза. Если учесть, что в обменный фонд поступает лишь небольшая часть фотосинтетического кислорода, деятельность людей в этом отношении начинает приобретать угрожающие масштабы.

Круговорот кислорода теснейшим образом сопряжен с углеродным циклом.

Круговорот углерода в биосфере

Углерод как химический элемент является основой жизни. Он может разными способами соединяться со многими другими элементами, образуя простые и сложные органические молекулы, входящие в состав живых клеток. По распространению на планете углерод занимает одиннадцатое место (0,35% веса земной коры), но в живом веществе он в среднем составляет около 18 или 45% сухой биомассы.

В атмосфере углерод входит в состав углекислого газа С0 2 , в меньшей мере — в состав метана СН 4 . В гидросфере С0 2 растворен в воде, и общее его содержание намного превышает атмосферное. Океан служит мощным буфером регуляции СО 2 в атмосфере: при повышении в воздухе его концентрации увеличивается поглощение углекислого газа водой. Некоторая часть молекул С0 2 реагирует с водой, образуя угольную кислоту, которая затем диссоциирует на ионы НСО 3 - и СО 2- 3 " Эти ионы реагируют с катионами кальция или магния с выпадением в осадок карбонатов. Подобные реакции лежат в основе буферной системы океана, поддерживающей постоянство рН воды.

Углекислый газ атмосферы и гидросферы представляет собой обменный фонд в круговороте углерода, откуда его черпают наземные растения и водоросли. Фотосинтез лежит в основе всех биологических круговоротов на Земле. Высвобождение фиксированного углерода происходит в ходе дыхательной активности самих фотосинтезирующих организмов и всех гетеротрофов — бактерий, грибов, животных, включающихся в цепи питания за счет живого или мертвого органического вещества.

Рис. 7. Круговорот углерода

Особенно активно происходит возврат в атмосферу С0 2 из почвы, где сосредоточена деятельность многочисленных групп организмов, разлагающих остатки отмерших растений и животных и осуществляется дыхание корневых систем растений. Этот интегральный процесс обозначается как «почвенное дыхание» и вносит существенный вклад в пополнение обменного фонда С0 2 в воздухе. Параллельно с процессами минерализации органического вещества в почвах образуется гумус — богатый углеродом сложный и устойчивый молекулярный комплекс. Гумус почв является одним из важных резервуаров углерода на суше.

В условиях, где деятельность деструкторов тормозят факторы внешней среды (например, при возникновении анаэробного режима в почвах и на дне водоемов), органическое вещество, накопленное растительностью, не разлагается, превращаясь со временем в такие породы, как каменный или бурый уголь, торф, сапропели, горючие сланцы и другие, богатые накопленной солнечной энергией. Они пополняют собой резервный фонд углерода, надолго выключаясь из биологического круговорота. Углерод временно депонируется также в живой биомассе, в мертвом опаде, в растворенном органическом веществе океана и т.п. Однако основным резервным фондом углерода на пишете являются не живые организмы и не горючие ископаемые, а осадочные породы — известняки и доломиты. Их образование также связано с деятельностью живого вещества. Углерод этих карбонатов надолго захоронен в недрах Земли и поступает в круговорот лишь в ходе эрозии при обнажении пород в тектонических циклах.

В биогеохимическом круговороте участвуют лишь доли процента углерода от общего его количества на Земле. Углерод атмосферы и гидросферы многократно проходит через живые организмы. Растения суши способны исчерпать его запасы в воздухе за 4-5 лет, запасы в почвенном гумусе — за 300-400 лет. Основной возврат углерода в обменный фонд происходит за счет деятельности живых организмов, и лишь небольшая его часть (тысячные доли процента) компенсируется выделением из недр Земли в составе вулканических газов.

В настоящее время мощным фактором перевода углерода из резервного в обменный фонд биосферы становится добыча и сжигание огромных запасов горючих ископаемых.

Круговорот азота в биосфере

В атмосфере и живом веществе содержится менее 2% всего азота на Земле, но именно он поддерживает жизнь на планете. Азот входит в состав важнейших органических молекул — ДНК, белков, липопротеидов, АТФ, хлорофилла и др. В растительных тканях его соотношение с углеродом составляет в среднем 1: 30, а в морских водорослях I: 6. Биологический цикл азота поэтому также тесно связан с углеродным.

Молекулярный азот атмосферы недоступен растениям, которые могут усваивать этот элемент только в виде ионов аммония, нитратов или из почвенных или водных растворов. Поэтому недостаток азота часто является фактором, лимитирующим первичную продукцию — работу организмов, связанную с созданием органических веществ из неорганических. Тем не менее атмосферный азот широко вовлекается в биологический круговорот благодаря деятельности особых бактерий (азотфиксаторов).

В круговороте азота большое участие также принимают аммонифицирующие микроорганизмы. Они разлагают белки и другие содержащие азот органические вещества до аммиака. В аммонийной форме азот частью вновь поглощается корнями растений, а частью перехватывается нитрифицирующими микроорганизмами, что противоположно функциям группы микроорганизмов — денитрификаторов.

Рис. 8. Круговорот азота

В анаэробных условиях в почвах или водах они используют кислород нитратов для окисления органических веществ, получая энергию для своей жизнедеятельности. Азот при этом восстанавливается до молекулярного. Азотфиксация и денитрификация в природе приблизительно уравновешены. Цикл азота, таким образом, зависит преимущественно от деятельности бактерий, тогда как растения встраиваются в него, используя промежуточные продукты этого цикла и намного увеличивая масштабы циркуляции азота в биосфере за счет продуцирования биомассы.

Роль бактерий в круговороте азота настолько велика, что если уничтожить только 20 их видов, жизнь на нашей планете прекратится.

Небиологическая фиксация азота и поступление в почвы его окислов и аммиака происходит также с дождевыми осадками при ионизации атмосферы и грозовых разрядах. Современная промышленность удобрений фиксирует азот атмосферы в размерах, превышающих природную фиксацию азота, в целях увеличения продукции сельскохозяйственных растений.

В настоящее время деятельность человека все сильнее влияет на круговорот азота, в основном в сторону превышения перевода его в связанные формы над процессами возврата в молекулярное состояние.

Круговорот фосфора в биосфере

Этот элемент, необходимый для синтеза многих органических веществ, включая АТФ, ДНК, РНК, усваивается растениями только в виде ионов ортофосфорной кислоты (Р0 3 4 +). Он относится к элементам, лимитирующим первичную продукцию и на суше, и особенно в океане, поскольку обменный фонд фосфора в почвах и водах невелик. Круговорот этого элемента в масштабах биосферы незамкнут.

На суше растения черпают из почвы фосфаты, освобожденные редуцентами из разлагающихся органических остатков. Однако в щелочной или кислой почве растворимость фосфорных соединений резко падает. Основной резервный фонд фосфатов содержится в горных породах, созданных на дне океана в геологическом прошлом. В ходе выщелачивания пород часть этих запасов переходит в почву и в виде взвесей и растворов вымывается в водоемы. В гидросфере фосфаты используются фитопланктоном, переходя по цепям питания в другие гидробионты. Однако в океане большая часть фосфорных соединений захоранивается с остатками животных и растений на дне с последующим переходом с осадочными породами в большой геологический круговорот. На глубине растворенные фосфаты связываются с кальцием, образуя фосфориты и апатиты. В биосфере, по сути, происходит однонаправленный поток фосфора из горных пород суши в глубины океана, следовательно, обменный фонд его в гидросфере очень ограничен.

Рис. 9. Круговорот фосфора

Наземные залежи фосфоритов и апатитов используются при производстве удобрений. Попадание фосфора в пресные водоемы является одной из главных причин их «цветения».

Круговорот серы в биосфере

Круговорот серы, необходимой для построения ряда аминокислот, отвечает за трехмерную структуру белков, поддерживается в биосфере широким спектром бактерий. В отдельных звеньях этого цикла участвуют аэробные микроорганизмы, окисляющие серу органических остатков до сульфатов, а также анаэробные редукторы сульфата, восстанавливающие сульфаты до сероводорода. Кроме перечисленных группы серобактерий окисляют сероводород до элементарной серы и далее до сульфатов. Растения усваивают из почвы и воды только ионы SO 2- 4 .

Кольцо в центре иллюстрирует процесс окисления (О) и восстановления (R), благодаря которым происходит обмен серы между фондом доступного сульфата и фондом сульфидов железа, находящимся глубоко в почве и осадках.

Рис. 10. Круговорот серы. Кольцо в центре иллюстрирует процесс окисления (0) и восстановления (R), благодаря которым происходит обмен серы между фондом доступного сульфата и фондом сульфидов железа, находящимся глубоко в почве и осадках

Основное накопление серы происходит в океане, куда ионы сульфатов непрерывно поступают с суши с речным стоком. При выделении из вод сероводорода сера частично возвращается в атмосферу, где окисляется до диоксида, превращаясь в дождевой воде в серную кислоту. Промышленное использование большого количества сульфатов и элементарной серы и сжигание горючих ископаемых поставляют в атмосферу большие объемы диоксида серы. Это вредит растительности, животным, людям и служит источником кислотных дождей, усугубляющих отрицательные эффекты вмешательства человека в круговорот серы.

Скорость круговорота веществ

Все круговороты веществ происходят с различной скоростью (рис. 11)

Таким образом, круговороты всех биогенных элементов на планете поддерживаются сложным взаимодействием разных частей . Они формируются деятельностью разных по функциям групп организмов, системой стока и испарения, связывающих океан и сушу, процессами циркуляции вод и воздушных масс, действием сил гравитации, тектоникой литосферных плит и другими масштабными геологическими и геофизическими процессами.

Биосфера действует как единая сложная система, в которой происходят различные круговороты веществ. Главным двигателем этихкруговоротов является живое вещество планеты, все живые организмы, обеспечивающие процессы синтеза, трансформации и разложения органического вещества.

Рис. 11. Темпы циркуляции веществ (П. Клауд, А. Джибор, 1972)

В основе экологического взгляда на мир лежит представление о том, что каждое живое существо окружено множеством влияющих на него различных факторов, образующих в комплексе его место обитания — биотоп. Следовательно, биотоп — участок территории, однородный по условиям жизни для определенных видов растений или животных (склон оврага, городской лесопарк, небольшое озеро или часть большого, но с однородными условиями — прибрежная часть, глубоководная часть).

Организмы, характерные для определенного биотопа, составляют жизненное сообщество, или биоценоз (животные, растения и микроорганизмы озера, луга, береговой полосы).

Жизненное сообщество (биоценоз) образует со своим биотопом единое целое, которое называется экологической системой (экосистемой). Примером естественных экосистем могут служить муравейник, озеро, пруд, луг, лес, город, ферма. Классическим примером искусственной экосистемы является космический корабль. Как видно, здесь нет строгой пространственной структуры. Близким к понятию экосистемы является понятие биогеоценоза.

Основными компонентами экосистем являются:

• неживая (абиотическая) среда. Это вода, минеральные вещества, газы, а также органические вещества и гумус;
• биотические компоненты. К ним относятся: продуценты или производители (зеленые растения), консументы, или потребители (живые существа, питающиеся продуцентами), и редуценты, или разлагатели (микроорганизмы).

Природа действует в высшей степени экономно. Так, созданная организмами биомасса (вещество тел организмов) и содержащаяся в них энергия передаются другим членам экосистемы: животные поедают растения, этих животных поедают другие животные. Этот процесс называют пищевой, или трофической, цепью. В природе пищевые цепи зачастую перекрещиваются, образуя пищевую сеть.

Примеры пищевых цепей: растение — растительноядное животное — хищник; злак — полевая мышь — лиса и др. и пищевая сеть показаны на рис. 12.

Таким образом, состояние равновесия в биосфере основано на взаимодействии биотических и абиотических факторов среды, которое поддерживается благодаря непрерывному обмену веществом и энергией между всеми компонентами экосистем.

В замкнутых круговоротах естественных экосистем наряду с другими обязательно участие двух факторов: наличие редуцентов и постоянное поступление солнечной энергии. В городских и искусственных экосистемах мало или совсем нет редуцентов, поэтому жидкие, твердые и газообразные отходы накапливаются, загрязняя окружающую среду.

Рис. 12. Пищевая сеть и направление потока вещества

Биосфера – внешняя оболочка нашей планеты, в ней происходят важнейшие процессы, одна из главных ее геосфер. Круговорот веществ в биосфере – многие столетия был и по сей день остается объектом пристального внимания ученых. Благодаря круговороту веществ, формируется глобальный химический обмен для всего живого на Земле, поддерживающий жизнедеятельность каждого вида, отдельно взятого.

Быстрая навигация по статье

Два круговорота

Существует два основных круговорота:

1. геологический, его также называют большим,
2. биологический, он же малый.

Геологический имеет глобальное значение, так как осуществляет циркуляцию веществ между водными ресурсами Земли и сушей на планете. Он обеспечивает всемирный оборот воды, известный каждому школьнику: выпадение осадков, испарение, выпадение осадков, то есть - определенную схему.

Системообразующим фактором здесь является вода во всех своих агрегатных состояниях. Полный цикл этого действия дает возможность осуществляться зарождению организмов, их развитию, размножению и эволюции. Алгоритм большого цикла оборота веществ, помимо насыщения участков суши влагой, предусматривает образование и других природных явлений: образования осадочных горных пород, полезных ископаемых, магматических лав и минералов.

Биологическим круговоротом называется постоянный обмен веществ между живыми организмами и компонентами природных компонентов. Происходит это таким образом: живые организмы получают энергетические потоки, а затем, проходя процесс разложения органики, энергия снова попадает в элементы окружающей среды.

Круговорот органического вещества напрямую отвечает за обмен веществ между представителями флоры, фауны, микроорганизмами, грунтовыми породами, и так далее. Биологический круговорот обеспечивается на различных уровнях экосистемы, образуя своеобразный оборот химических реакций и различные превращения энергии в биосфере. Такая схема была сформирована много тысячелетий назад и работает все это время в одном и том же режиме.

Основные элементы

В природе существует множество химических элементов, однако, необходимых для живой природы из них не так уж и много. Выделяют четыре основных элемента:

1. кислород,
2. водород,
3. углерод,
4. азот.

Количество этих веществ, занимает более половины от всего биологического круговорота веществ в природе. Также есть элементы важные, но используемые в гораздо меньших объемах. Это фосфор, сера, железо и некоторые другие.

Биогеохимические круговороты подразделяют на такие два важных действия, как выработка солнечной энергии Солнцем и хлорофилла зелеными растениями. Химические же элементы имеют неизбежные точки соприкосновения с биогеохимическим и попутно дополняя эту процедуру.

Углерод

Этот химический элемент - важнейший компонент каждой живой клетки, организма или микроорганизма. Органические соединения углерода можно смело назвать основным компонентом возможности протекания и развития жизни.

В природе этот газ находится атмосферных слоях и, частично, в гидросфере. Именно из них происходит запитывание углеродом всех растений, водорослей и некоторых микроорганизмов.

Высвобождение газа происходит путем дыхания и жизнедеятельности живых организмов. Кроме этого, количество углерода в биосфере пополняется и из почвенных слоев, благодаря осуществляемому газообмену корневыми системами растений, разлагающимися остатками и другими группами организмов.

Понятие о биосфере и биологическом круговороте невозможно представить себе без углеродного обмена. На Земле имеется солидный запас этого химического элемента и находится он в некоторых осадочных породах, неживых организмах и ископаемых.

Поступления углерода возможны из известняковых пород, находящихся под землей, они могут обнажаться при разработках месторождений или случайных эрозиях почв.

Оборот углерода в биосфере происходит методом многократного прохождения через дыхательные системы живых организмов и накопления в абиотических факторах экосистемы.

Фосфор

Фосфор, как компонент биосферы, не так ценен в чистой форме, как в составе многих органических соединений. Некоторые из них жизненно важны: в первую очередь - это клетки ДНК, РКН и АТФ. Схема круговорота фосфора основана именно на ортофосфорном соединении, так как усваивается лучше всего именно такой вид вещества.

Вращение фосфора в биосфере, грубо говоря, состоит из двух частей:

1. водной части планеты – от переработки примитивным планктоном до отложения в виде скелетов морских рыб,
2. наземной среды – здесь он наиболее сконцентрирован в виде элементов почвы.

Фосфор является основой такого известного полезного ископаемого, как апатит. Разработки рудников с фосфорсодержащими ископаемыми весьма популярны, но это обстоятельство вовсе не поддерживает круговорот фосфора в биосфере, а наоборот, истощает его запасы.

Азот

Химический элемент Азот присутствует на планете в мизерных количествах. Примерное его содержание, в каких бы то ни было живых элементах, всего лишь около двух процентов. Но без него жизнь на планете не представляется возможной.

В круговороте азота в биосфере решающая роль принадлежит определенным видам бактерий. Большая степень участия здесь отведена азотфиксаторам и аммонифицирующим микроорганизмам. Их участие в данном алгоритме настолько значительно, что, если некоторых представителей этих видов не станет, вероятность жизни на Земле будет под вопросом.

Дело здесь в том, что этот элемент в молекулярном виде, таком, каким он выглядит в атмосферных слоях, не может быть усвоен растениями. Как следствие, чтобы обеспечить оборот азота в биосфере, необходима его переработка до аммиака или аммония. Схема переработки азота, таким образом, полностью зависит от деятельности бактерий.

Также важное участие в процессе круговорота азота в экосистеме принимает схема круговорота углерода в биосфере – оба эти цикла тесно связаны между собой.

Современные процессы производства удобрений и другие промышленные факторы имеют огромное влияние на содержание атмосферного вида азота – для некоторых местностей его количество превышено во много раз.

Кислород

В биосфере постоянно происходит круговорот веществ и превращение энергии из одного вида в другой. Важнейшим циклом в этом плане является функция фотосинтеза. Именно фотосинтез обеспечивает воздушное пространство свободным кислородом, который способен озонировать определенные слои атмосферы.

Кислород также высвобождается из молекул воды в процессе круговорота воды в биосфере. Однако данный абиотический фактор наличия этого элемента ничтожно мал по сравнению с тем количеством, которое вырабатывают растения.

Круговорот кислорода в биосфере – процесс длительный, но весьма интенсивный. Если взять весь объем этого химического элемента в атмосфере, то его полный цикл от разложения органического вещества до выделения растением в течение фотосинтеза, длится примерно две тысячи лет! У этого цикла нет перерывов, он происходит ежедневно, ежегодно, много тысячелетий.

В наше время в процессе обмена веществ происходит связывание значительного количества свободного кислорода из-за промышленных выбросов, транспортных выхлопных газов и других загрязняющих атмосферу факторов.

Вода

Понятие о биосфере и биологическом круговороте веществ трудно представить без такого важного химического соединения, как вода. Наверное, объяснять, почему - нет необходимости. Схема циркуляции воды повсюду: все живые организмы на три четверти состоят из воды. Растениям она нужна для фотосинтеза, в результате чего выделяется кислород. При дыхании также образуется вода. Если кратко оценить всю историю жизни и развития нашей планеты, то полный круговорот воды в биосфере, от разложения до новообразования, был пройден тысячи раз.

Так как в биосфере постоянно происходит круговорот веществ и превращения энергии одной в другую, то именно преобразование воды неразрывно связано практически со всеми другими циклами и оборотами в природе.

Сера

Сера, как химический элемент, принимает важное участие в построении правильной структуры белковой молекулы. Круговорот серы происходит благодаря многим видам простейших, а точнее говоря, бактерий. Аэробные бактерии окисляют серу, содержащуюся в органике до сульфатов, а затем, другие виды бактерий завершают процесс окисления до элементарной серы. Упрощенная схема, по которой можно описать круговорот серы в биосфере, выглядит как непрерывные процессы окисления и восстановления.

В процессе круговорота веществ в биосфере происходит накопление остатков серы в Мировом океане. Источники этого химического элемента – стоки речных вод, которые переносят серу потоками воды с почв и горных склонов. Выделяясь из речных и грунтовых вод в виде сероводорода, сера частично попадает в атмосферу и оттуда, включаясь в круговорот веществ, возвращается в составе дождевой воды.

Серные сульфаты, некоторые виды горючих отходов и тому подобные выбросы неизбежно приводят к повышенному содержанию диоксида серы в атмосфере. Последствия этого плачевны: кислотные дожди, заболевания органов дыхания, уничтожение растительности и другие. Преобразование серы, изначально предназначенное для нормального функционирования экосистемы, на сегодняшний день превращается в оружие поражения живых организмов.

Железо

Железо чистого вида в природе встречается очень редко. В основном, например, его можно обнаружить в останках метеоритов. Сам по себе металл этот - мягкий и податливый, но на открытом воздухе моментально вступает в реакцию с кислородом и образует оксиды и окислы. Поэтому, основной вид железосодержащего вещества – это железная руда.

Известно, что круговорот веществ в биосфере осуществляются в виде различных соединений, в том числе железо также имеет активный цикл обращения в природе. В почвенные слои или Мировой океан феррум попадает из горных пород или вместе с вулканическим пеплом.

В живой природе железо играет важнейшую роль, без него не происходит процесс фотосинтеза, не образовывается хлорофилл. В живых организмах железо используется для образования гемоглобина. Отработав свой цикл, попадает в виде органических остатков в почву.

Также существует морской круговорот железа в биосфере. Основной принцип у него похож на наземный. Некоторые виды организмов окисляют железо; здесь используется энергия, а после завершения жизненного цикла металл оседает в водных глубинах в виде руды.

Бактерии, организмы, участвующие в природных циклах экосистемы

Круговорот веществ и энергии в биосфере – непрерывный процесс, обеспечивающий своей бесперебойной работой жизнь на Земле. Основы этого цикла знакомы даже школьникам: растения, питаясь углекислым газом, выделяют кислород, животные и люди вдыхают кислород, оставляя углекислый газ как продукт переработки дыхательного процесса. Работа бактерий и грибов - перерабатывать останки живых организмов, превращая их из органики в минеральные вещества, в итоге усваиваемые растениями.

Какую функцию выполняет биологический круговорот веществ? Ответ прост: так как запас химических элементов и минералов на планете пусть и обширен, но, все равно, ограничен. Необходим именно цикличный процесс превращений и оборачиваемости всех важных компонентов биосферы. Понятие о биосфере и биологическом обмене веществ дает определение вечной продолжительности жизненных процессов на Земле.

Следует отметить, что микроорганизмы в данном вопросе играют очень большую роль. Например, круговорот фосфора невозможен без нитрифицирующих бактерий, окислительные процессы железа не работают без железобактерий. Клубеньковые бактерии играют большую роль в природном обороте азота – без них подобный цикл просто остановился бы. В круговороте веществ в биосфере плесневые грибы являются своего рода санитарами, разлагающими органические остатки до минеральных составляющих.

Каждый класс организмов, населяющих планету, выполняет свою важную роль в переработке тех или иных химических элементов, вносит вклад в понятие о биосфере и биологическом круговороте. Самый примитивный пример иерархии животного мира – пищевая цепь, однако, функций у живых организмов намного больше, а результат глобальнее.

Каждый организм, по сути, является составляющим биосистемы. Чтобы оборот веществ в биосфере работал циклично и правильно, важно соблюдение баланса между количеством поступающего в биосферу вещества и тем количеством, которое могут переработать микроорганизмы. К сожалению, с каждым последующим циклом круговорота в природе этот процесс все больше нарушается вследствие человеческого вмешательства. Экологические вопросы становятся глобальными проблемами экосистемы и пути их решения дорогостоящие финансово, еще более дорогие, если оценивать их со стороны прохождения естественных природных процессов.

Вода - это необходимое вещество в составе любых живых организмов. Основная масса воды на планете сосредоточена в гидросфере. Испарение с поверхности водоёмов представляет источник атмосферной влаги; конденсация её вызывает осадки, с которыми в конце концов вода возвращается в океан. Этот процесс составляет большой круговорот воды. На поверхности Земного шара.

В пределах экосистем осуществляются процессы, усложняющие большой круговорот и обеспечивающие его биологически важную часть. В процессе перехвата растительность способствует испарению в атмосферу части осадков раньше, чем они достигнут поверхности земли.Вода осадков, достигшая почвы, просачивается в неё и либо образует одну из форм почвенной влаги, либо присоединяется к поверхностному стоку; частично почвенная влага может по капиллярам подняться на поверхность и испариться. Из более глубоких слоёв почвы влага всасывается корнями растений; часть её достигает листьев и транспирируется в атмосферу.

Эвапотранспирация - это суммарная отдача воды из экосистемы в атмосферу. Она включает как физически испаряемую воду, так и влагу, транспирируемую растениями. Уровень транспирации различен для разных видов и в разных ландшафтно-климатических зонах.

Если количество воды, просочившейся в почву, превышает её влагоёмкость, то она достигает уровня грунтовых вод и входит в их состав. Подземный сток связывает почвенную влагу с гидросферой.

Таким образом, для круговорота воды в пределах экосистем наиболее важны процессы перехвата, эвапотранспирации, инфильтрации и стока.

В целом круговорот воды характеризуется тем, что в отличие от углерода, азота и других элементов вода не накапливается и не связывается в живых организмах, а проходит через экосистемы почти без потерь; на формирование биомассы экосистемы используется лишь около 1 % воды, выпадающей с осадками.

И так, Малый круговорот имеет следующую структуру: испарение влаги с поверхности океана (водоема) - конденсация водяного пара - выпадение осадков на эту же водную поверхность океана (водоёма).

Большой круговорот - это круговорот воды между сушей и океаном (водоемом). Влага, испарившаяся с поверхности Мирового океана (на что затрачивается почти половина поступающей к поверхности Земли солнечной энергии), переносится на сушу, где выпадает в виде осадков, которые вновь возвращаются в океан в виде поверхностного и подземного стока. Подсчитано, что в круговороте воды на Земле ежегодно участвует более 500 тыс. км3 воды.

Круговорот воды в целом играет основную роль в формировании природных условий на нашей планете. С учетом транспирации воды растениями и поглощения её в биохимическом цикле, весь запас воды на Земле распадается и восстанавливается за 2 млн. лет.