Биогеохимический круговорот вещества и связанные с ним формы удержания, перераспределения и накопления энергии
ЛЕКЦИЯ 23
Биогеохимический круговорот вещества и связанные с ним формы удержания, перераспределения и накопления энергии
Круговорот отдельных веществ В.И.Вернадский назвал биогеохимическими циклами. Суть цикла в следующем: химические элементы, поглощенные организмом, впоследствии его покидают, уходя в абиотическую среду, затем, через какое-то время, снова попадают в живой организм, и т.д. Такие элементы называются биофильными или биогенными. Этими циклами и круговоротом в целом обеспечиваются важнейшие функции живого вещества в биосфере.
Основных круговоротов веществ в природе два: большой (геологический) и малый (биогеохимический). Геологический круговорот веществ в природе обусловлен взаимодействием солнечной энергии с глубинной энергией Земли и осуществляет перераспределение вещества между биосферой и более глубокими горизонтами Земли. Биогеохимический круговорот веществ в биосфере совершается лишь в пределах биосферы. Сущность его в образовании живого вещества из неорганических соединений в процессе фотосинтеза и в превращении органического вещества при разложении вновь в неорганические соединения.
Биогеохимический круговорот вещества
Главным источником энергии круговорота является солнечная радиация, которая порождает фотосинтез. Эта энергия довольно неравномерно распределяется по поверхности земного шара. Кроме того, она теряется путем отражения, поглощается почвой, расходуется на транспирацию воды и т.д.
Биогеохимический круговорот представляет собой обмен макро – и микроэлементов и простых неорганических веществ (СО2, Н2О) с веществом атмосферы, гидросферы и литосферы. Круговорот отдельных веществ В. И. Вернадский назвал биогеохимическими циклами. Суть цикла в следующем: химические элементы, поглощенные организмом, впоследствии его покидают, уходя в абиотическую среду, затем, через какое – то время, снова попадают в живой организм, и т.д. Такие элементы называют биофильными.
В биогеохимических круговоротах следует различать две части: 1) резервный фонд – это огромная масса движущихся веществ, не связанных с организмами; 2) обменный фонд – значительно меньший, но весьма активный, обусловленный прямым обменом биогенным веществом между организмами и их непосредственным окружением. Если же рассматривать биосферу в целом, то в ней можно выделить: 1) круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере и гидросфере (океан) и 2) осадочный цикл с резервным фондом в земной коре (в геологическом круговороте).
Рекомендуемые материалы
Общая характеристика биогеохимического круговорота.
Малый круговорот (в отличие от большого) совершается лишь в пределах биосферы. Сущность его в образовании живого вещества из неорганических соединений в процессе фотосинтеза и в превращении органического вещества при разложении вновь в неорганические соединения. Этот круговорот для жизни биосферы - главный, и он сам является порождением жизни. Изменяясь, рождаясь и умирая, живое вещество поддерживает жизнь на нашей планете, обеспечивая биогеохимический круговорот веществ.
Движущей силой круговорота служит солнечная энергия, которую используют непосредственно фотосинтезирующие организмы и затем передают ее другим представителям биотического компонента. В итоге и создается поток энергии и питательных веществ через экосистему, т.е. биогеохимический круговорот.
При изучении круговорота удобно выделять две части, или два фактора:
1)резервный фонд – большая масса медленно движущихся веществ, в основном небиологический компонент;
2)подвижный, или обменный, фонд, для которого характерен быстрый обмен между органической и неорганической средой.
Для биосферы можно выделить два основных типа биогеохимических круговоротов:
1)круговорот газообразных веществ, с резервным фоном в атмосфере или гидросфере;
2)осадочный цикл с резервным фоном в земной коре.
Такое разделение круговоротов основано на том, что некоторые круговороты, например с участием углерода, кислорода и азота, из-за наличия крупных атмосферных или океанических фондов довольно быстро компенсируют нарушения. В целом, круговороты газообразных веществ в глобальном масштабе можно считать хорошо забуференными, так как их способность к саморегуляции и поддержанию определенных концентраций различных веществ достаточно велика.
Следует отметить, что, хотя атмосфера и имеет большой резервный фонд и высокую способность к саморегуляции, все же они не беспредельны.
Осадочный цикл, в котором принимают участие фосфор, железо, в меньшей степени способен к саморегуляции и поэтому легче нарушается. Это связано с тем, что основная часть химических веществ сосредоточена в относительно малоподвижном и малоактивном резервном фонде земной коры. Если изъятие химических элементов в этих циклах происходит быстрее, чем возврат, какая-то их часть может на длительное время выбывать из круговорота. Механизмы возвращения химических элементов в круговорот основаны главным образом на биологических процессах.
Биогеохимические круговороты основных биогенных элементов и их нарушение человеком
Биогеохимические циклы отдельных элементов.
В.И.Вернадский выделяет пять функций биогенных элементов: газовую, концентрационную, окислительно-восстановительную, биохимическую и биогеохимическую деятельность человека. Последняя функция в настоящее время все больше охватывает разрастающееся количество веществ земной коры, в том числе таких концентраторов углерода, как уголь, нефть, газ и других, для хозяйственных и бытовых нужд человека.
Биогеохимические циклы наиболее важных биогенных элементов.
К ним можно отнести вещества, из которых состоят белковые молекулы. К ним относятся углерод, сера, фосфор, азот, кислород.
В круговороте углерода, а точнее – наиболее подвижной его формы – СО2,четко прослеживается трофическая цепь: продуценты, улавливающие углерод из атмосферы при фотосинтезе, консументы – поглощающие углерод вместе с телами продуцентов и консументов низших порядков, редуцентов – возвращающих углерод вновь в круговорот. Скорость оборота СО2составляет порядка 300 лет (полная замена его в атмосфере).
В мировом океане трофическая цепь: продуценты (фитопланктон) – консументы (зоопланктон, рыбы) – редуценты (микроорганизмы) – осложняется тем, что некоторая часть углерода мертвого организма, опускаясь на дно, «уходит» в осадочные породы и участвует уже не в биологическом, а в геологическом круговороте.
Главным резервуаром биологически связанного углерода являются леса, они содержат до 500 млрд т этого элемента, что составляет 2/3 его запаса в атмосфере.(1) В биомассе лесов содержится в 1,5 раза, а в гумусе, содержащемся в почве, - в 4 раза больше СО2, чем в атмосфере.
Фотосинтезирующий «зеленый пояс» Земли и карбонатная система моря поддерживают постоянный уровень СО2 в атмосфере. Однако стремительное увеличение потребления горючих ископаемых, а также уменьшение поглотительной способности «зеленой пояса» приводят к тому, что содержание СО2 в атмосфере постепенно растет. Предполагают, что если уровень СО2 в атмосфере будет превышен вдвое (до начала активного влияния человека на окружающую среду он составлял 0,29%), то не исключено повышение глобальной температуры на 1,5-4,5°С. Это может привести к таянию ледников и как следствие – к повышению уровня Мирового океана, а также к неблагоприятным последствиям в сельском хозяйстве. В настоящее время в развитых государствах существует национальная научно-исследовательская программа по ведению сельского хозяйства на случай потепления или похолодания климата.
С наступлением научно-технического прогресса сбалансированные прежде потоки углерода между атмосферой, материками и океанами начинают поступать в атмосферу в количестве, которое не полностью может связаться растениями.
Помимо СО2 в атмосфере в небольших количествах присутствуют оксид углерода СО – 0,1 части на миллион и метан СН4- 1,6 части на миллион. Они образуются при неполном или аэробном разложении органического вещества и в атмосфере окисляются до СО2.
Накопление СО в глобальном масштабе не представляется реальным, но в городах, где воздух застаивается, имеет место повышение концентрации этого соединения, что негативно влияет на здоровье людей.
Круговорот кислорода. Скорость его – 2 тыс. лет. Именно за это время весь кислород атмосферы проходит через живое вещество. Основной его поставщик на Земле – зеленые растения. Ежегодно они производят на суше 53*10
т кислорода, а в океанах – 414*10т.
Главный потребитель кислорода – животные, почвенные организмы и растения, использующие его в процессе дыхания. Процесс круговорота кислорода в биосфере весьма сложен, так как он содержится в очень многих химических соединениях.
Убыль кислорода в атмосфере в результате процессов дыхания, гниения и горения возмещается кислородом, выделяющимся при фотосинтезе. Вырубка лесов, эрозия почв, различные горные выработки на поверхности уменьшают общую массу фотосинтеза и снижают круговорот на значительных территориях. Наряду с этим, мощным источником кислорода является, по-видимому, фотохимическое разложение водяного пара в верхних слоях атмосферы под влиянием ультрафиолетовых лучей солнца. Подсчитано, что на промышленные и бытовые нужды ежегодно расходуется 23% кислорода, который высвобождается в процессе фотосинтеза. Предполагается, что в ближайшее время весь продуцированный кислород будет сгорать в топках, а следовательно, необходимо значительное усиление фотосинтеза и другие радикальные меры.
Таким образом, в природе непрерывно совершается круговорот кислорода, поддерживающий постоянство состава атмосферного воздуха.
Биогеохимический круговорот азота не менее сложен, чем углерода и кислорода, и охватывает все области биосферы. Поглощение его растениями ограничено, так как они усваивают азот только в форме соединения его с водородом и кислородом. И это при том, что запасы азота в атмосфере неисчерпаемы (78% от ее объема). Редуценты (деструкторы), а конкретно почвенные бактерии, постепенно разлагают белковые вещества отмерших организмов и превращают их в аммонийные соединения, нитраты и нитриты. Опасность заключается в том, что азот в виде нитратов и нитритов усваивается растениями и может передаваться по пищевым (трофическим) цепям.
Азот возвращается в атмосферу вновь с выделенными при гниении газами. Роль бактерий в цикле азота такова, что если будет уничтожено только 12 их видов, участвующих в круговороте азота, жизнь на Земле прекратится.(1)
Благодаря механизмам обратной связи, обеспечивающим саморегуляцию, круговорот азота можно назвать относительно замкнутым, если рассматривать его в масштабе крупных площадей или всей биосферы.
В современных условиях человек своей деятельностью оказывает значительное влияние на круговорот азота: увеличивает содержание азота в резервном фонде (сжигание ископаемого топлива, осушение заболоченных земель, обработка почвы и т.д.) и снижает его содержание (выращивание бобовых культур на громадных территориях, техническое связывание азота) в атмосфере.(2).
Биогеохимические циклы фосфора и серы, важнейших биогенных элементов, значительно менее совершенны, так как основная их масса содержится в резервном фонде земной коры, в «недоступном» фонде.
Круговорот серы и фосфора – типичный осадочный биогеохимический цикл. Такие циклы легко нарушаются от различного рода воздействий и часть обмениваемого материала выходит из круговорота. Возвратиться опять в круговорот она может лишь в результате геологических процессов или путем извлечения живым веществом биофильных компонентов.
Фосфор содержится в горных породах, образовавшихся в прошлые геологические эпохи. В биогеохимический круговорот он может попасть в случае подъема этих пород из глубины земной коры на поверхность суши, в зону выветривания. Эрозионными процессами он выносится в море в виде широко известного минерала – апатита.
Общий круговорот фосфора можно разделить на две части – водную и наземную. В водных экосистемах он усваивается фитопланктоном и передается по трофической цепи вплоть до консументов третьего порядка – морских птиц. Их экскременты снова попадают в море и вступают в круговорот или накапливаются на берегу и смываются в море.
Из отмирающих морских животных, особенно рыб, фосфор снова попадает в море и в круговорот, но часть скелетов рыб достигает больших глулин и заключенный в них фосфор снова попадает в осадочные породы.
В наземных экосистемах фосфор извлекают растения из почв и далее он распространяется по трофической сети. Возвращается в почву после отмирания животных и растений и с их экскрементами. Теряется фосфор из почв в результате их водной эрозии. Повышенное содержание фосфора на водных путях его переноса вызывает бурное увеличение биомассы водных растений, «цветение» водоемов и их эвтрофикацию. Большая же часть фосфора уносится в море и там теряется безвозвратно, что может привести к истощению запасов фосфорсодержащих руд (фосфоритов, апатитов и т.д.). Следовательно, надо стремиться избежать этих потерь и не ожидать того времени, когда Земля вернет на сушу «потерянные отложения».
Значительные количества фосфора вносятся на поля с удобрениями. Около 60 тыс. т фосфора ежегодно возвращается на материк с выловом рыбы. В белковом рационе человека рыба составляет от 20% до 80%, некоторые малоценные сорта рыб перерабатываются на удобрения, богатые полезными элементами, в том числе фосфором. Ежегодная добыча фосфорсодержащих пород составляет 1,5-2 млн т.(4). Деятельность человека ведет к усиленной потере фосфора, что делает круговорот недостаточно замкнутым. Важность фосфора как элемента, обеспечивающего продуктивность биосферы, со временем будет возрастать, так как уже сейчас он причисляется к редким макроэлементам. Поэтому возврат фосфора в круговорот имеет важное значение для человечества.(2).
Сера также имеет основной резервный фонд в отложениях и почве, но в отличие от фосфора у нее есть резервный фонд и в атмосфере. В обменном фонде главная роль принадлежит микроорганизмам, одни из них восстановители, другие – окислители.
В горных породах сера встречается в виде сульфидов, в растворах – в виде сульфат-иона, в газообразной фазе в форме сероводорода или сернистого газа. В некоторых организмах сера накапливается в чистом виде и при их отмирании на дне образуются залежи самородной серы.
Круговорот серы, хотя ее требуется организмами в небольших количествах, является ключевым в общем процессе продуцирования и разложения.
В наземных экосистемах сера возвращается в почву при отмирании растений, захватывается микроорганизмами, которые восстанавливают ее до Н2S. Другие организмы и воздействие самого кислорода приводят к окислению этих продуктов. Образовавшиеся сульфаты растворяются и поглощаются растениями из поровых растворов почвы – так продолжается круговорот.
Однако круговорот серы, как и азота, может быть нарушен вмешательством человека. Виной тому прежде всего сжигание ископаемого топлива, а особенно угля. Сернистый газ нарушает процессы фотосинтеза и приводит к гибели растительности.
Биогеохимические циклы легко нарушаются человеком. Так, добывая минеральные удобрения, он загрязняет воду и воздушную среду. В воду попадает фосфор, вызывая эвтрофикацию, образуются азотистые высокотоксичные соединения и др. Иными словами, круговорот становится не циклическим, а ациклическим. Охрана природных ресурсов должна быть, в частности, направлена на то, чтобы ациклические биогеохимические процессы превратить в циклические.
Человек – это геохимическая сила планетарного масштаба. Масса химических элементов, добываемых и перераспределяемых человеком за год уже давно в 2 раза больше массы, концентрируемой всеми растениями Земли, и в 4 – более переносимого всеми ее водотоками. Геохимическая деятельность человечества может быть сведена к следующему:
1. Изымание элементов, снижение локальных кларков концентраций, что не может не иметь пагубных последствий.
2. Рассеивание вокруг добычи или переработки по ареалам, не совпадающим с природными границами.
3. Транспортные перемещения по неестественным путям (за год с транспортировкой зерна в мире перевозится 1 млн т калия, по 100 тыс. т фосфора и азота.
Таким образом, всеобщий гомеостаз биосферы зависит от стабильности биогеохимического круговорота веществ природе. Но являясь планетарной экосистемой, она состоит из экосистем всех уровней, поэтому первоочередное значение для ее гомеостаза имеют целостность и устойчивость природных экосистем.
Круговорот второстепенных элементов
Второстепенные элементы – это элементы, которые не представляют особой ценности для организма. Они не редко мигрируют между средой и организмами. Большинство из них принимает участие в общем осадочном механизме, некоторые могут попасть в атмосферу. Есть элементы, которые, не будучи биогенными, могут концентрироваться в определенных тканях живых организмов, причем при достижении определенных концентраций становятся опасными для жизнедеятельности. Многие второстепенные элементы в обычных для экосистем концентрациях почти не оказывают влияния на состояние организмов (стронций, цезий, ртуть, кадмий, медь, цинк, свинец) [2].
Возвращение веществ в круговорот
Для возврата химических элементов в круговорот всегда требуются определенные затраты энергии. В тех случаях, когда источником энергии для возврата веществ в круговорот служат солнечный свет и органическое вещество, человеку не приходится непосредственно затрачивать ископаемые виды топлива. В ненарушенном состоянии природные механизмы рециркуляции в основном реализуют возвращение в круговорот воды и элементов питания. Оценку миграции вещества внутри экосистем можно проводить по величине циркуляции между отдельными блоками экосистемы, представленной в виде массы материала на входе и выходе. Повторно используемую часть вещества определяют суммой его количеств, проходящих в круговороте через каждый отсек системы, и коэффициентом рециркуляции:
СJ = R / T,
где СJ – коэффициент рециркуляции, R – возврат потока вещества через систему, Т – общий поток вещества через систему.
Коэффициенты рециркуляции для различных элементов неодинаковы. Они более высоки для тех элементов, которые считаются очень ценными (золото, платина) и используются повторно на 90% и более. У второстепенных элементов, потребность в которых невелика, коэффициенты возврата обычно низкие. Так как энергия проходит все системы насквозь и не используется вторично, то коэффициент ее рециркуляции равен нулю. Коэффициент рециркуляции в естественных экосистемах возрастает при увеличении разнообразия и усложнении биотических компонентов, по мере обеднения ресурсов среды на входе, по мере накопления на выходе отходов, опасных для жизни в экосистеме, либо при наличии одновременно всех трех процессов.
Поток энергии
Ещё посмотрите лекцию "13 Технология оказания доврачебной медицинской помощи при аспирации инородного тела" по этой теме.
Живая оболочка планеты непрерывно поглощает не только энергию Солнца, но и идущую из недр Земли; энергия трансформируется и передается от одних организмов к другим и излучается в окружающую среду. Следует четко представлять себе, что является источниками энергии в биосфере, куда «текут» энергетические потоки и какова их роль в создании биомассы.
Единственным первичным источником внешней энергии на Земле является световое и тепловое излучение Солнца. Ежегодно на земную поверхность падает около 21·1023 кДж, из этой величины на участки Земли, покрытые растениями, а также на водоемы, с содержащейся в них растительностью, приходится только около 40%. С учетом потери энергии радиации вследствие отражения и других причин, а также энергетического выхода фотосинтеза, не превышающего 2%, общее количество энергии, запасаемой ежегодно в продуктах фотосинтеза, выразится величиной порядка 20·1022 кДж. Кроме создания чистой продукции, живой покров суши использует захваченную им энергию Солнца для процесса дыхания. Эти энергетические затраты составляют около 30 - 40% энергии, расходуемой на создание чистой продукции. Таким образом, растительность суши в год преобразует суммарно (на дыхание и создание чистой продукции) около 4,2·1018 кДж солнечной энергии.
Создание и существование биомассы неразрывно связаны с поступлением энергии и веществ из окружающей среды. Большинство веществ земной коры проходит через живые организмы и вовлекается в биологический круговорот веществ, создавший биосферу и определяющий ее устойчивость. В энергетическом отношении жизнь в биосфере поддерживается постоянным притоком энергии от Солнца и использованием ее в процессах фотосинтеза. Поток солнечной энергии, воспринимаясь молекулами живых клеток, преобразуется в энергию химических связей. В процессе фотосинтеза растения используют лучистую энергию солнечного света для превращения веществ с низким содержанием энергии (СО2 и Н2О) в более сложные органические соединения, глее часть солнечной энергии запасена в форме химических связей.
Органические вещества, образованные в процессе фотосинтеза, служат источником энергии для самого растения или переходят от одних организмов к другим: от растений к растительноядным животным, от них – к плотоядным и т.д. Высвобождение заключенной в органических соединениях энергии происходит также в процессе дыхания или брожения. Разрушение использованных или отмерших остатков биомассы осуществляют разнообразные организмы, относящиеся к числу сапрофитов (гетеротрофные бактерии, грибы, некоторые животные и растения). Они разлагают остатки биомассы на неорганические составные части (минерализация), способствуя вовлечению в биологический круговорот соединений и химических элементов, что обеспечивает очередные циклы продуцирования органического вещества. Содержащаяся в пище энергия не совершает круговорота, а постепенно превращается в тепловую энергию. В итоге поглощенная организмами в виде химических связей солнечная энергия снова возвращается в пространство в виде теплового излучения. Поэтому биосфере требуется постоянный приток энергии извне. Эту важнейшую функцию и выполняет Солнце, обеспечивающее в течении многих миллиардов лет постоянный поток энергии через биосферу. При этом к Земле приходит коротковолновое излучение (свет), а уходит от нее длинноволновое тепловое излучение. Существенно, что баланс этих энергий не соблюдается: планета излучает в Космос несколько меньше энергии, нежели получает от Солнца. Эту разность (доли процента) и усваивает биосфера, постепенно, но постоянно накапливая энергию. Ее оказалось достаточно для того, чтобы однажды на планете появилась жизнь, возникла биосфера, чтобы и ныне поддерживать все грандиозные процессы развития планеты.
Рост о размножение организмов, происходящие в биосфере, обеспечивают биогенную миграцию атомов, которая обусловила в процессе эволюции создание современной природной системы. За сотни миллиардов лет растения поглотили огромное количество диоксида углерода и одновременно обогатили атмосферу кислородом. Живые организмы глубоко воздействуют на природные свойства биосферы и всей планеты. Скелеты беспозвоночных образовали такие осадочные породы, как известняк и мел; каменный уголь и нефть образовались из растительных остатков. Биогенное происхождение имеет и почва, которая представляет собой продукт жизнедеятельности микроорганизмов, растений и животных в их взаимодействии с неорганическими компонентами природы. Важно подчеркнуть, что возникновение в процессе эволюции более сложно устроенных, но мене зависимых от изменений среды организмов, а также развитие относительно устойчивых экосистем привело к увеличению скорости движения энергии и веществ в сформировавшихся биогеоценозах.
Таким образом, энергия течет в одном направлении, а вещество «вращается» на месте. Солнечная энергия приходит на Землю как бы в безвещественном виде, хотя в общем смысле она материальна (Солнце, излучая энергию, теряет многие миллиарды тонн своей массы). Попав на планету и приведя в движение, образно говоря, «жернова биосферы», энергия как бы стекает с них в форме теплового излучения. При этом тепло – непревратимая далее энергия – переходит с вовлеченного в круговорот вещества в окружающую среду и навсегда покидает живую оболочку планеты.
