Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Можно сказать, что поступательное развитие в биосфере осуществляется через систему круговоротов.

В процессе минерализации органических веществ освобождается энергия, которая была поглощена при фотосинтезе. Она освобождается в виде тепла (вспомним, например, разогревание и даже самовозгорание недостаточно высушенного сена), но главным образом в виде химической энергии, носителями которой являются природные воды. Обогащаясь такими продуктами минерализации, как CO₂, гумусовые кислоты, NH₃, SO₂-₄, H₂S, воды становятся химически высокоактивными, они разрушают («выветривают») горные породы. Таким образом, с энергетической точки зрения биологический круговорот атомов переводит энергию солнечных лучей в другие виды энергии, за счет которых в биосфере выполняется большая работа. Особенно следует отметить превращение солнечной энергии в химическую энергию природных вод и газов.

Нетрудно убедиться также, что в ходе биологического круговорота атомов происходит передача информации, создание новой информации, ее переработка и захоронение, т.е. это также и информационный процесс. Чем энергичнее протекает биологический круговорот атомов, тем большее количество информации при этом перерабатывается.

Положение о круговороте атомов считается одним из основных законов геохимии биосферы – законом биологического круговорота атомов, который сводится к следующему – в биосфере атомы участвуют в биологических круговоротах, в ходе которых они поглощаются живым веществом и заряжаются энергией, затем покидают живое вещество, отдавая накопленную энергию в окружающую среду. За счет этой биогенной энергии осуществляются многие химические реакции. Главными носителями энергии являются природные воды. В результате биологического круговорота атомов происходит изменение химического состава биосферы, само поступательное развитие биосферы осуществляется через систему круговоротов.

Круговорот углерода в биосфере (рис.2)

Отжившие растения и животные разлагаются микроорганизмами, в результате чего углерод мертвого органического вещества окисляется до углекислого газа и снова попадает в атмосферу. Подобный круговорот углерода совершается и в водной среде. Фиксированный в растениях углерод в значительном количестве потребляется животными, которые, в свою очередь, при дыхании выделяют его в виде углекислого газа. Согласно имеющимся данным, все зеленые растения Земли ежегодно извлекают из атмосферы до 300 млрд. т. углекислого газа (100 млрд. т. углерода), что совпадает с итоговым поступлением этого газа в атмосферу от разных источников – дыхания растений и животных, промышленности, транспорта и т.п. При этом годичный круговорот массы углерода на суше определяется как массой составляющих его звеньев биосферы, так и количеством углерода, захватываемого каждым звеном (в тоннах за год):

Круговорот углерода в гидросфере является более сложным по сравнению с континентальным, поскольку возврат этого элемента в форме углекислого газа зависит от поступления кислорода в верхние слои воды как из атмосферы, так и из нижележащей толщи. В целом показатели годичного круговорота массы углерода в Мировом океане почти в 2 раза ниже, чем на суше:

Между сушей и Мировым океаном происходит постоянная миграция углерода. Преобладает вынос этого элемента в форме карбонатных и органических соединений с суши в океан. Поступление углерода из Мирового океана на сушу совершается в несравненно меньших количествах, и то лишь в форме углекислого газа, диффундирующего в атмосферу и переносимого воздушными течениями.

Суммарное количество углекислого газа в атмосфере планеты составляет не менее 2,3∙10¹² т., в то время как содержание его в Мировом океане оценивается в 1,3∙10¹⁴ т. В литосфере в связанном состоянии находится 2∙10¹⁷ т. углекислого газа. Значительное количество углекислого газа содержится и в живом веществе биосферы (около 1,5∙10¹² т.), т.е. почти столько, сколько во всей атмосфере. Углекислый газ атмосферы и гидросферы обменивается и обновляется живыми организмами за 395 лет.

6. Круговорот воды

Наряду с биологическим круговоротом атомов в биосфере протекает и другой грандиозный круговорот – воды. Это и водообмен океаны-материки, когда вода, испаряясь с поверхности океана, переносится ветрами на континенты и с речным стоком снова возвращается в океан, и маленькие круговороты отдельного ландшафта, когда испарение воды в теплую погоду приводит к облачности и выпадению осадков. С энергетической точки зрения здесь во всех случаях имеет место одна и та же последовательность: солнечная энергия, затраченная на испарение воды, заряжает ее молекулы энергией, которая после конденсации паров воды и выпадения осадков на земную поверхность реализуется в кинетической энергии рек и ручьев. Так же, как и для отдельного живого организма, геологический эффект деятельности каждой дождевой капли, небольшого ручья – ничтожны, но, суммируясь, эти капли и ручьи дают могучие реки, которые за геологические периоды разрушают горные хребты.

Круговорот воды до известной степени можно сравнивать с биологическим круговоротом, так как источником энергии в обоих случаях служит излучение Солнца. Только круговорот воды – главный агент механической работы, а биологический – химической. Правда, вода тоже выполняет химическую работу (растворение, выветривание и т.д.), но она осуществляется при участии живого вещества: или за счет организмов, находящихся в водах, или за счет продуктов их жизнедеятельности – CO₂, гумуса и других химически активных веществ.

Круговорот воды в геологическом времени не замкнут. Большие массы воды поступают в биосферу при вулканических извержениях, а также из зоны метаморфизма в результате отжатия воды при уплотнении глинистых пород, превращения их в сланцы.

С другой стороны, в биосфере протекают многочисленные процессы гидратации, связывающие воду в составе различных глинистых и прочих минералов. При прогибании земной коры в геосинклинальных зона эти гидратированные толщи оказываются на больших глубинах вне биосферы, и воды надолго изымаются из круговорота.

Круговорот воды

7. Геохимический цикл азота

В круговороте соединений азота чрезвычайно большую роль играют микроорганизмы: азотфиксаторы, нитрификаторы, денитрификаторы. Все остальные организмы влияют на цикл азота только после ассимиляции его в состав своих клеток.

Бобовые и представители некоторых родов других сосудистых растений, например ольха (Alnus), казуарина (Casuarina), араукария (Araucaria), гинкго (Ginkgo), лох (Eleganus), фиксируют азот только с помощью бактерий-симбионтов. Подобным же образом некоторые лишайники фиксируют азот с помощью симбиотических сине-зеленых водорослей.

Таким образом, биологическая фиксация молекулярного азота свободноживущими и симбиотическими микроорганизмами происходит и в автотрофном, и гетеротрофном ярусах экосистем.

Для круговорота азота необходим микроэлемент молибден, входящий в состав системы азотфиксирующих ферментов. В некоторых условиях молибден служит лимитирующим фактором. Фиксировать азот способны лишь немногие роды микроорганизмов, весьма широко распространенных в природе: свободноживущие аэробные бактерии рода азотобактер (Azotobacter) и анаэробные виды рода клостридиум (Clostridium); симбиотические клубеньковые бактерии бобовых растений (Rhizobium); сине-зеленые водоросли: виды родов анабена (Anabaena) и носток (Nostoc). Азот фиксируют также пурпурные и зеленые фотосинтезирующие бактерии, различные почвенные бактерии.

Общее количество азота в атмосфере оценивается приблизительно в 3,8∙10¹⁵ т., тогда как в водах Мирового океана – в 2,0∙10¹³ т. Азотфиксирующие организмы суши ежегодно улавливают около 4,4∙10⁹ т., а в водной среде ежегодная биологическая фиксация составляет 1,0∙10⁹ т. Надо отметить, что количество ежегодно фиксируемого живыми организмами азота в океане и на суше различается лишь в 4 с небольшим раза. В то же время содержание азота в наземных организмах (моментальная масса) составляет 1,22∙10¹⁰ т. а в донных организмах – всего 0,025∙10¹⁰ т. (в 50 раз меньше). В биосфере в целом фиксация азота из воздуха составляет в среднем за год 140-700 мг/ м². В основном это биологическая фиксация, а лишь небольшое количество азота (в умеренных областях не более 35 мг/ м² в год) фиксируется в результате электрических разрядов и фотохимических процессов.

Круговорот азота в биосфере

В фотической зоне небольших озер фиксация азота происходит со скоростью 1-50 мкг/ л в день; высокая интенсивность фиксации отмечена также в некоторых загрязненных озерах с множеством сине-зеленых водорослей. В океане, где продуктивность ниже, интенсивность фиксации азота в расчете на 1 м2 меньше, чем на суше, однако общее количество фиксированного азота является значительным и весьма важным для глобального круговорота.

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

На огромных массивах, где деятельность человека почти отсутствует, растения берут необходимый им азот из вносимого в почву азота извне (нитратов с дождями, аммиака из воздуха), из возвращаемого в почву азота (остатков животных, растений, экскрементов животных), а также из разнообразных азотфиксирующих организмов. Особое внимание привлекают несимбиотические свободноживущие так называемые олигонитрофильные микроорганизмы, способные расти при ничтожно малом содержании связанного азота в среде. Многие исследователи находят их в почве и ризосфере в довольно больших количествах. Например, в почве и ризосфере растительных сообществ сухопутной и пустынно-степной подзон Центрального Казахстана и МНР содержится достаточно много олигонитрофильных микроорганизмов. При анализе почв создается впечатление о значительном преобладании олигонитрофильных бактерий над другими в засушливые периоды, что свидетельствует о высокой устойчивости их к недостатку влаги.

8. Круговорот фосфора

Геохимический цикл фосфора в большой мере отличается от циклов углерода и азота. Кларк этого элемента в земной коре равен 0,093%. Это в несколько десятков раз больше кларка азота, но в отличие от последнего фосфор не играет роли одного из главных элементов оболочек Земли. Тем не менее его геохимический цикл включает в себя разнообразные пути миграции в земной коре, интенсивный биологический круговорот и миграцию в гидросфере.

Фосфор является одним из главных органогенных элементов. Органические соединения фосфора играют важную роль в процессах жизнедеятельности всех растений и животных, входят в состав нуклеиновых кислот, сложных белков, фосфолипидов мембран, являются основой биоэнергетических процессов. Фосфор концентрируется живым веществом, где его содержание примерно в 10 раз больше, чем в земной коре.

На поверхности суши протекает интенсивный круговорот фосфора в системе почва → растения → животные → почва. В связи с тем, что минеральные соединения фосфора труднорастворимы и содержащийся в них элемент почти недоступен растениям, последние преимущественно используют его легкорастворимые формы, образующиеся при разложении органических остатков. Круговорот фосфора происходит и в системе суша → Мировой океан, основой которого является вынос фосфатов с речным стоком, взаимодействие их с кальцием, образование фосфоритов, залежи которых со временем выходят на поверхность и снова включаются в миграционные процессы.

Круговорот фосфора в биосфере

9. Круговорот серы

В биосфере существует хорошо развитый процесс циклических превращений серы и ее соединений. На рисунке приведена схема биогеохимического круговорота серы.

Круговорот серы в биосфере

Здесь хорошо видны многие основные черты круговорота, например, обширный резервный фонд в почве и отложениях и меньший – в атмосфере. Основную роль в обменном фонде серы играют специализированные микроорганизмы, каждый вид которых выполняет определенную реакцию окисления или восстановления. На схеме представлена также микробная регенерация серы из глубоководных отложений, в результате которой к поверхности перемещается сероводород (H₂S); взаимодействие геохимических и метеорологических процессов (эрозия, осадкообразование, выщелачивание, дождь, адсорбция, десорбция и т.д.); биологические процессы (продукция биомассы и ее разложение); взаимосвязь воздуха, воды и почвы в регуляции круговорота серы в глобальном масштабе. Сульфат (SO^2-₄) аналогично нитрату и фосфату – основная доступная форма серы, которая восстанавливается автотрофами и включается в белки (сера входит в состав ряда аминокислот).

На круговоротах азота и серы все больше сказывается промышленное загрязнение воздуха. Сжигание ископаемого топлива значительно увеличило содержание летучих окислов азота (NO и NO2) и серы (SO2) в воздухе, особенно в городах; концентрации их уже становятся опасными для биотических компонентов экосистем.

10. Эпилог

Иногда, когда удается отвлечься от мирских забот и проблем, всего лишь на миг выпрыгнуть из бесконечного круговорота жизни, то задумываешься над тем как ничтожна частичка единого целого по сравнению с ним самим: как мал человек по сравнению с человечеством, как мал химический элемент по сравнению со всем, что имеет его в своем составе, как мала планета по сравнению со вселенной. В итоге приходишь к выводу о бесполезности одной человеческой жизни. Тогда начинает казаться, что стоит выпасть один раз из бесконечной жизненной карусели, как окажешься не у дел, и мир благополучно забудет о твоем существовании. Конечно останутся связанные с тобой частички – родственники, друзья, знакомые, но карусель не остановится и "Life goes on", как пели легендарные Beatles.

Характеристики

Список файлов реферата