11115 (Круговорот речовин на Землі)

1. З яких частин складається біогеохімічний круговорот речовин?

Круговорот речовин на Землі - повторювані процеси перетворення й переміщення речовини в природі, що мають більш-менш виражений циклічний характер. Ці процеси мають певний поступальний рух, тому що при так званих циклічних перетвореннях у природі не відбувається повного повторення циклів, завжди є ті або інші зміни в кількості й сполуці речовин, що утворяться.

Круговорот речовин на Землі складається з безлічі різноманітних повторюваних в основних рисах процесів перетворення й переміщення речовини. Окремі циклічні процеси являють собою послідовний ряд змін речовини, що чергуються з тимчасовими станами рівноваги. Як тільки речовина вийшла з даної термодинамічної системи, з якої воно перебувало в рівновазі, відбувається його подальша зміна, поки воно не вернеться частково до первісного стану. Повного повернення до первісного стану ніколи не відбувається. Яскравою ілюстрацією цього може служити круговорот води в природі.

Схема круговороту води

З поверхні океану випаровується щорічно величезна кількість води, але при цьому порушується її ізотопна сполука: вона стає бідніше важким воднем у порівнянні з океанічною водою (у результаті фракціонування ізотопів водню при випарі). Між поверхневим шаром води океану й масою води більше глибоких його зон існує свій регулярний, сталий обмін. Між парами води й водою атмосфери й водойм установлюються локальні тимчасові рівноваги. Пари води в атмосфері конденсуються, захоплюючи гази атмосфери й вулканічні гази, а потім вода обрушується на сушу. Частина води при цьому входить у хімічні сполуки, інша у вигляді кристаллогидратной, сорбированной і багатьох ін. форм зв'язується пухкими опадами земної кори, погребается разом з ними й надовго залишає основний цикл. Опади в процесі метаморфизации й занурення в глиб Землі під впливом тиску й високої температури (наприклад, інтрузії) втрачають воду, що піднімається по порах порід і з'являється у вигляді гарячих джерел або пластових вод на поверхні Землі, або, нарешті, викидається з парами при вулканічній діяльності разом з деякою кількістю ювенільних вод і газів. Інша ж, основна маса води, витягаючи розчинні сполуки з порід літосфери, руйнуючи їх, стікає ріками назад в океан.

Інший приклад - круговорот кальцію. Вапняки (як і ін. породи) на континенті руйнуються, і розчинні солі кальцію (двовуглекислі й ін.) ріками зносяться в море. Щорічно в морі скидається з континенту близько 5-10⁸ т кальцію. У теплих морях вуглекислий кальцій інтенсивно споживається нижчими організмами - форамініферами, коралами й ін. - на будівлю своїх кістяків. Після загибелі цих організмів їхні кістяки з вуглекислого кальцію утворять опади на дні морів. Згодом відбувається їх метаморфизация, у результаті чого формується порода - вапняк. При регресії моря вапняк оголюється, виявляється на суші й починається процес його руйнування. Але сполука знову, що утвориться вапняку, трохи інший. Так, виявилося, що палеозойські вапняки більше багаті вуглекислим магнієм і супроводжуються доломітом, вапняки ж більше молоді - бідніше вуглекислим магнієм, а утворення шарів доломітів у сучасну епоху майже не відбувається. Нарешті, при виливі лави вапняки частково можуть бути нею асимільовані, тобто ввійти у великий К. в.

Т. о., окремі циклічні процеси, що складають загальний круговорот речовин на Землі, ніколи не є повністю оборотними. Частина речовини в повторюваних процесах перетворення розсіюється й відволікається в частки круговороты або захоплюється тимчасовими рівновагами, а інша частина, що вертається до колишнього стану, має вже нові ознаки.

Тривалість того пли іншого циклу можна умовно оцінити по того часу, що було б необхідно, щоб вся маса даної речовини могла обернутися один раз на Землі в тім або іншому процесі.

Табл. 1. - Час, достатнє для повного обороту речовини

У круговороті речовин беруть участь хімічні елементи й сполуки, більше складні асоціації речовини й організми. Процеси зміни речовини можуть носити переважно характер механічного переміщення, фізико-хімічного перетворення, ще більш складного біологічного перетворення або носити змішаний характер.

Класифікація круговороту речовин на Землі ще не розроблена. Можна говорити, наприклад, про круговоротах окремих хімічних елементів або про біологічний круговорот речовин у біосфері; можна виділити круговорот газів атмосфери або води, твердих речовин у літосфері й, нарешті, круговорот речовин у межах 2-3 суміжних геосфер. Вивченням круговороту речовин займалися багато росіян учені. В. И. Вернадський виділив геохімічну групу так званих циклічних хімічних елементів; до них відносять практично все широко розповсюджені й багато рідких хімічних елементів, наприклад вуглець, кисень, азот, фосфор, сірку, кальцій, хлор, мідь, залізо, йод. В.Р. Вільямс і багато хто ін. розглядали біологічні цикли азоту, вуглекислоти, фосфору й ін. у зв'язку з вивченням родючості ґрунтів. Із циклічності хімічних елементів особливо важливу роль у біогенному циклі грають вуглець, азот, фосфор, сірка.

Вуглець – основний біогенний елемент; він відіграє найважливішу роль в утворенні живої речовини біосфери. Вуглекислий газ із атмосфери в процесі фотосинтезу, здійснюваного зеленими рослинами, асимілюється й перетворюється в різноманітні й численні органічні сполуки рослин. Рослинні організми, особливо нижчі мікроорганізми, морський фітопланктон, завдяки винятковій швидкості розмноження продуцируют у рік близько 1,5-10¹¹ т вуглецю у вигляді органічної маси, що відповідає 5,86-10²⁰дж (1,4-10²⁰кал) енергії. Рослини частково поїдаються тваринами (при цьому утворяться більш-менш складні харчові ланцюги). У підсумку органічна речовина в результаті подиху організмів, розкладання їхніх трупів, процесів шумування, гниття й горіння перетворюється у вуглекислий газ або відкладає у вигляді сапропелю, гумусу, торфу, які, у свою чергу, дають початок многим ін. каустобиолитам - кам'яним вугіллям, нафті, горючим газам.

Схема круговороту вуглецю

У процесах розпаду органічних речовин, їхньої мінералізації величезну роль грають бактерії (наприклад, гнильні), а також багато грибів (наприклад, цвілеві).

В активному круговороті вуглецю бере участь дуже невелика частина всієї його маси. Величезна кількість вугільної кислоти законсервовано у вигляді викопних вапняків і ін. порід. Між вуглекислим газом атмосфери й водою океану, у свою чергу, існує рухлива рівновага.

Табл. 2. - Зміст вуглецю на поверхні Землі й у земній корі.

Багато водних організмів поглинають вуглекислий кальцій, створюють свої кістяки, а потім з них утворяться шари вапняків. Атмосфера поповнюється вуглекислим газом завдяки процесам розкладання органічної речовини, карбонатів і ін., а також у результаті індустріальної діяльності людини. Особливо потужним джерелом є вулкани, гази яких складаються головним чином з вуглекислого газу й пар води. Деяка частина вуглекислого газу й води, що викидаються вулканами, відроджується з осадових порід, зокрема вапняків.

Джерелом азоту на Землі був вулканогенний NH₃, окислений O₂ (процес окислювання азоту супроводжується порушенням його ізотопної сполуки - ¹⁴N-¹⁵N). Основна маса азоту на поверхні Землі перебуває у вигляді газу (N₂) в атмосфері. Відомі два шляхи його залучення в біогенний круговорот: 1) процеси електричного (у тихому розряді) і фотохімічного окислювання азоту повітря, що дають різні окисли азоту (NO₂, NO'₃ і ін.), які розчиняються в дощовій воді й вносяться таким чином у ґрунти, воду океану; 2) біологічна фіксація N₂ клубеньковыми бактеріями, вільними азотфиксаторами й ін. мікроорганізмами. Значення азоту в обміні речовин організмів загальновідомо. Він входить до складу білків і їхніх різноманітних похідних. Залишки організмів на поверхні Землі або поховані в товщі порід піддаються руйнуванню при участі численних мікроорганізмів. У цих процесах органічний азот піддається різним перетворенням. У результаті процесу денітрифікації при участі бактерій утвориться елементарний азот, що вертається безпосередньо в атмосферу. Так, наприклад, спостерігаються підземні газові струмені, що складаються майже із чистого N₂. Біогенний характер цих струменів доводиться відсутністю в їхній сполуці аргону (⁴⁰Ar), звичайного в атмосфері. При розкладанні білків утворяться також аміак і його похідні, що попадають потім у повітря й у воду океану. У біосфері в результаті нітрифікації - окислювання аміаку й ін. азотсодержащих органічних сполук при участі бактерії Nitrosomonas і нітробактерій - утворяться різні окисли азоту (N₂O, NO, N₂O₃ і N₂O₅). Азотна кислота з металами дає солі. Калійна селітра утвориться на поверхні Землі в кисневій атмосфері в умовах жаркого й сухого клімату в місцях відкладень залишків водоростей. Скупчення селітри можна спостерігати в пустелях на дні ніш видування. У результаті діяльності денитрифицирующих бактерій солі азотної кислоти можуть відновлюватися до азотистої кислоти й далі до вільного азоту.

Схема круговороту азоту