Геологический, большой (биосферный) и малый (биологический) круговороты вещества в биосфере. Большой геологический и малый биологический круговорот веществ в природе

Все вещества на нашей планете находятся в процессе круговорота. Солнечная энергия вызывает на Земле два круговорота веществ, большой или биосферный (охватывающий всю биосферу), и малый или биологический (внутри экосистем).

Биосферному круговороту веществ предшествовал геологический, связанный с образованием и разрушением горных пород и последующим перемещением продуктов разрушения - обломочного материала и химических элементов. Значительную роль в этих процессах играли и продолжают играть термические свойства поверхности суши и воды: поглощение в отражение солнечных лучей, теплопроводность в теплоемкость. Вода больше поглощает солнечной энергии, а поверхность суши в одних и тех же широтах больше нагревается. Неустойчивый гидротермический режим поверхности Земли вместе с планетарной системой циркуляции атмосферы обусловливал геологический круговорот.веществ, который на начальном этапе развития Земли наряду с эндогенными процессами, был связан с формированием континентов, океанов и современных геосфер. О геологическом проявлении его говорит и перенесение воздушными массами продуктов выветривания, а водой - растворенных в ней минеральных соединений. Со становлением биосферы в большой круговорот включились продукты жизнедеятельности организмов. Геологический круговорот, не прекратив своего существования, приобрел новые черты: он стая начальным этапом биосферного перемещения вещества. Именно он поставляет живым организмам элементы питания и во многом определяет условия их существования.

Большой круговорот веществ в биосфере характеризуется двумя важными моментами:

Осуществляется на протяжении всего геологического развития Земли;

Представляет собой современный планетарный процесс, принимающий ведущее участие в дальнейшем развития биосферы (Радкевич, 1983).

На современном этапе развития человечества в результате большого круговорота на большие расстояния переносятся также загрязняющие вещества, такие как оксиды серы и азота, пыль, радиоактивные примеси. Наибольшему загрязнению подверглась территория умеренных широт Северного полушария.

Малый или биологический круговорот веществ развертывается на фоне большого, геологического, охватывающего биосферу в целом. Он происходит внутри экосистем, но не замкнут, что связано с поступлением вещества и энергии в экосистему извне и с выходом части их в биосферный круговорот. По этой причине иногда говорят не о биологическом круговороте, а об обмене энергии в экосистемах и отдельных организмах.

Растения, животные и почвенный покров на суше образуют сложную мировую систему, которая формирует биомассу, связывает и перераспределяет солнечную энергию, углерод атмосферы, влагу, кислород, водород, азот, фосфор, серу, кальций и другие элементы, участвующие в жизнедеятельности организмов. Растения, животные и микроорганизмы водной среды образуют другую планетарную систему, выполняющую ту же функцию связывания солнечной энергии и биологического круговорота веществ.

Суть биологического круговорота заключается в протекании двух противоположных, но взаимосвязанных процессов - созидания органического вещества и его разрушения. Начальный этап возникновения органического вещества обусловлен фотосинтезом зеленых растений, т.е. образованием этого вещества из углекислого газа, воды и минеральных соединений с использованием лучистой энергии Солнца. Растения извлекают из почвы в растворенном виде серу, фосфор, кальций, калий, магний, марганец, кремний, алюминий, медь, цинк и другие элементы. Растительноядные животные поглощают уже соединения этих элементов в виде пищи растительного происхождения. Хищники питаются растительноядными животными, потребляют пищу более сложного состава, включая белки, жиры, аминокислоты и др. В процессе разрушения микроорганизмами органического вещества отмерших растений и остатков животных в почву и водную среду поступают простые минеральные соединения, доступные для усвоения растениями, и начинается следующий виток биологического круговорота.

В отличие от большого круговорота малый имеет разную продолжительность: различают сезонные, годовые, многолетние и вековые малые круговороты. При изучении биологического круговорота веществ основное внимание уделяется годовому ритму, определяемому годичной динамикой развития растительного покрова.

Малый (биологический) круговорот

Масса живого вещества биосферы сравнительно мала. Если её распределить по земной поверхности, то получиться слой всего в 1,5 см. В таблице 4.1 сопоставлены некоторые количественные характеристики биосферы и других геосфер Земли. Биосфера, составляя менее 10-6 массы других оболочек планеты, обладает несравненно большим разнообразием и обновляет свой состав в миллион раз быстрее.

Таблица 4.1

Сравнение биосферы с другими геосферами Земли

*Живое вещество в расчёте на живой вес

4.4.1. Функции биосферы

Благодаря биоте биосферы осуществляется преобладающая часть химических превращений на планете. Отсюда суждение В.И. Вернадского об огромной преобразующей геологической роли живого вещества. На протяжении органической эволюции живые организмы тысячекратно (для разных круговоротов от 103 до 105 раз) пропустили через себя, через свои органы, ткани, клетки, кровь всю атмосферу, весь объём Мирового океана, большую часть массы почв, огромную массу минеральных веществ. И не только пропустили, но и в соответствии со своими потребностями видоизменили земную среду.

Благодаря способности трансформировать солнечную энергию в энергию химических связей растения и другие организмы выполняют ряд фундаментальных биогеохимических функций планетарного масштаба.

Газовая функция. Живые существа постоянно обмениваются кислородом и углекислым газом с окружающей средой в процессах фотосинтеза и дыхания. Растения сыграли решающую роль в смене восстановительной среды на окислительную в геохимической эволюции планеты и в формировании газового состава современной атмосферы. Растения строго контролируют концентрации О2 и СО2, оптимальные для совокупности всех современных живых организмов.

Концентрационная функция. Пропуская через своё тело большие объёмы воздуха и природных растворов, живые организмы осуществляют биогенную миграцию (движение химических веществ) и концентрирование химических элементов и их соединений. Это относится к биосинтезу органики, образование коралловых островов, строительство раковин и скелетов, появление толщ осадочных известняков, месторождений некоторых металлических руд, скопление железно–марганцевых конкреций, на дне океана т. д. Ранние этапы биологической эволюции проходили в водной среде. Организмы научились извлекать из разбавленного водного раствора необходимые для них вещества, многократно увеличивая их концентрацию в своём теле.

Окислительно – восстановительная функция живого вещества тесно связана с биогенной миграцией элементов и концентрированием веществ. Многие вещества в природе устойчивы и не подвергаются окислению при обычных условиях, например, молекулярный азот – один из важнейших биогенных элементов. Но живые клетки располагают настолько мощными катализаторами – ферментами, что способны осуществлять многие окислительно-восстановительные реакции в миллионы раз быстрее, чем это может проходить в абиотической среде.

Информационная функция живого вещества биосферы. Именно с появлением первых примитивных живых существ на планете появилась и активная («живая») информация, отличающаяся от той «мёртвой» информации, которая является простым отражением структуры. Организмы оказались способными к получению информации путём соединения потока энергии с активной молекулярной структурой, играющей роль программы. Способность воспринимать, хранить и перерабатывать молекулярную информацию совершила опережающую эволюцию в природе и стала важнейшим экологическим системообразующим фактором. Суммарный запас генетической информации биоты оценивается в 1015 бит. Общая мощность потока молекулярной информации, связанной с обменом веществ и энергии во всех клетках глобальной биоты достигает 1036 бит/с (Горшков и др., 1996).

4.4.2. Составляющие биологического круговорота.

Биологический круговорот осуществляется между всеми составляющими биосферы (т. е. между почвой, воздухом, водой, животными, микроорганизмами и т.д.). Он происходит при обязательном участии живых организмов.

Достигающее биосферы солнечное излучение несёт в себе энергию около 2,5*1024 Дж в год. Только 0,3% её непосредственно преобразуется в процессе фотосинтеза в энергию химических связей органических веществ, т.е. вовлекается в биологический круговорот. А 0,1 – 0,2 % солнечной энергии, падающей на Землю, оказывается заключённой в чистой первичной продукции. Дальнейшая судьба этой энергии связана с передачей органического вещества пищи по каскадам трофических цепей.

Биологический круговорот условно можно разделить на взаимосвязанные составляющие: круговорот веществ и энергетический круговорот.

4.4.3. Энергетический круговорот. Трансформация энергии в биосфере

Экосистему можно описать как совокупность живых организмов, обменивающихся непрерывно энергией, веществом, информацией. Энергию можно определить как способность производить работу. Свойства энергии, в том числе и движение энергии в экосистемах, описываются законами термодинамики.

Первый закон термодинамики или закон сохранения энергии утверждает, что энергия не исчезает и не создаётся заново, она лишь переходит из одной формы в другую.

Второй закон термодинамики утверждает, что в замкнутой системе энтропия может только возрастать. Применительно к энергии в экосистемах удобна следующая формулировка: процессы, связанные с превращением энергии, могут происходить самопроизвольно только при условии, что энергия переходит из концентрированной формы в рассеянную, то есть деградирует. Мера количества энергии, которая становится недоступной для использования, или иначе мера изменения упорядоченности, которая происходит при деградации энергии, есть энтропия. Чем выше упорядоченность системы, тем меньше её энтропия.

Говоря другими словами, живое вещество получает и трансформирует энергию космоса, солнца в энергию земных процессов (химическую, механическую, тепловую, электрическую). Вовлекает эту энергию и неорганическую материю в непрерывный круговорот веществ в биосфере. Поток энергии в биосфере имеет одно направление – от Солнца через растения (автотрофы) к животным (гетеротрофы). Природные нетронутые экосистемы в устойчивом состоянии с постоянными важнейшими экологическими показателями (гомеостаз), являются наиболее упорядоченными системами, и характеризуются наименьшей энтропией.

4.4.4. Круговорот веществ в живой природе

Образование живого вещества и его разложение – две стороны единого процесса, который называется биологическим круговоротом химических элементов. Жизнь – круговорот химических элементов между организмами и средой.

Причина круговорота – ограниченность элементов, из которых строятся тела организмов. Каждый организм извлекает из окружающей среды необходимые для жизнедеятельности вещества и возвращает неиспользованные. При этом:

одни организмы потребляют минеральные вещества непосредственно из окружающей среды;

другие используют продукты, переработанные и выделенные первыми;

третьи – вторыми и т.д., пока вещества не возвратятся в окружающую среду в первоначальном состоянии.

В биосфере очевидна необходимость сосуществования различных организмов, способных использовать продукты жизнедеятельности друг друга. Мы видим практически безотходное биологическое производство.

Круговорот веществ в живых организмах условно можно свести к четырём процессам:

1.Фотосинтез. В результате фотосинтеза растения усваивают и аккумулируют солнечную энергию и синтезируют из неорганических веществ органические вещества - первичную биологическую продукцию - и кислород. Первичная биологическая продукция отличается большим разнообразием – содержит углеводы (глюкозу), крахмал, клетчатку, белки, жиры.

Схема фотосинтеза простейшего углевода (глюкозы) имеет следующую схему:

Этот процесс протекает только днём и сопровождается увеличением массы растений.

На Земле ежегодно в результате фотосинтеза образуется около 100 млрд. т. органического вещества, усваивается около 200 млрд. т. углекислого газа, выделяется примерно 145 млрд. т кислорода.

Фотосинтезу принадлежит решающая роль в обеспечении существования жизни на Земле. Его глобальное значение объясняется тем, что фотосинтез является единственным процессом, в ходе которого энергия в термодинамическом процессе согласно с минималистским принципом не рассеивается, а наоборот – накапливается.

Синтезируя необходимые для построения белков аминокислоты, растения могут существовать относительно независимо от других живых организмов. В этом проявляется автотрофность растений (самостоятельность в питании). В то же время зелёная масса растений и кислород, образующийся в процессе фотосинтеза, являются основой для поддержания жизни следующей группы живых организмов – животных, микроорганизмов. В этом проявляется гетеротрофность этой группы организмов.

2. Дыхание. Процесс обратный фотосинтезу. Происходит во всех живых клетках. При дыхании органическое вещество окисляется кислородом, в результате образуется углекислый газ, вода и выделяется энергия.

3. Пищевые (трофические) связи между автотрофными и гетеротрофными организмами. В данном случае происходит перенос энергии и вещества по звеньям пищевой цепи, которые более подробно были нами рассмотрены ранее.

4. Процесс транспирации. Один из самых важных процессов в биологическом круговороте.

Схематично его можно описать следующим образом. Растения поглощают почвенную влагу корнями. При этом в них поступают растворённые в воде минеральные вещества, которые усваиваются, а влага более или менее интенсивно испаряется в зависимости от условий среды.

4.4.5. Биогеохимические циклы

Геологический и биологический круговороты связаны – они существуют как единый процесс, рождая циркуляцию веществ, так называемые биогеохимические циклы (БГХЦ). Этот круговорот элементов обусловлен синтезом и распадом органических веществ в экосистеме (рис.4.1) В БГХЦ задействованы не все элементы биосферы, а только биогенные. Из них состоят живые организмы, эти элементы вступают в многочисленные реакции и участвуют в процессах, протекающих в живых организмах. В процентном соотношении совокупная масса живого вещества биосферы состоит из следующих основных биогенных элементов: кислорода – 70%, углерода – 18%, водорода – 10,5%, кальция – 0,5%, калия – 0,3%, азот – 0,3%, (кислород, водород, азот, углерод присутствуют во всех ландшафтах и являются основой живых организмов – 98%).

Сущность биогенной миграции химических элементов.

Таким образом, в биосфере имеют место биогенный круговорот веществ (т.е. круговорот, вызванный жизнедеятельностью организмов) и однонаправленный поток энергии. Биогенная миграция химических элементов определяется в основном двумя противоположными процессами:

1. Образование живого вещества из элементов окружающей среды за счет солнечной энергии.

2. Разрушение органических веществ, сопровождающееся выделением энергии. При этом элементы минеральных веществ многократно попадают в живые организмы, входя тем самым в состав сложных органических соединений, форм, а затем при разрушении последних снова приобретают минеральную форму.

Существуют элементы, входящие в состав живых организмов, но не относящиеся к биогенным. Такие элементы классифицируются по их весовой доле в организмах:

Макроэлементы – составляющие не менее 10-2% массы;

Микроэлементы – составляющие от 9*10-3 до 1*10-3% массы;

Ультрамикроэлементы – менее 9*10-6% массы;

Чтобы определить место биогенных элементов среди других химических элементов биосферы, рассмотрим принятую в экологии классификацию. По проявляемой активности в процессах, протекающих в биосфере, все химические элементы делят на 6 групп:

Благородные газы – гелий, неон, аргон, криптон, ксенон. Инертные газы в состав живых организмов не входят.

Благородные металлы – рутений, радий, палладий, осмий, иридий, платина, золото. Эти металлы почти не создают соединений в земной коре.

Циклические или биогенные элементы (их ещё называют миграционными). На эту группу биогенных элементов в земной коре приходится 99,7% всей массы, а на остальные 5 групп – 0,3%. Таким образом, основная масса элементов – это мигранты, которые осуществляют кругооборот в географической оболочке, а часть инертных элементов очень мала.

Рассеянные элементы, характеризующиеся преобладанием свободных атомов. Вступают в химические реакции, но их соединения редко встречаются в земной коре. Разделяются на две подгруппы. Первая – рубидий, цезий, ниобий, тантал – создают соединения в глубинах земной коры, а на поверхности их минералы разрушаются. Вторая – йод, бром – вступают в реакции лишь на поверхности.

Радиоактивные элементы – полоний, радон, радий, уран, нептуний, плутоний.

Редкоземельные элементы – иттрий, самарий, европий, тулий т.д.

Круглогодично биохимические циклы приводят в движение около 480 млрд. т. вещества.

В.И. Вернадский сформулировал три биогеохимических принципа, которые объясняют сущность биогенной миграции химических элементов:

Биогенная миграция химических элементов в биосфере всегда стремится к максимальному своему проявлению.

Эволюция видов в ходе геологического времени, приводящая к созданию устойчивых форм жизни, идёт в направлении, усиливающем биогенную миграцию атомов.

Живое вещество находится в непрерывном химическом обмене с окружающей его средой, что является фактором, воссоздающим и поддерживающим биосферу.

Рассмотрим, как движутся в биосфере некоторые из этих элементов.

Круговорот углерода. Главным участником биотического круговорота является углерод как основа органических веществ. Преимущественно круговорот углерода происходит между живым веществом и углекислым газом атмосферы в процессе фотосинтеза. С пищей его получают травоядные, от травоядных – хищники. При дыхании, гниении углекислый газ частично возвращается в атмосферу, возврат происходит при сжигании органических полезных ископаемых.

При отсутствии возврата углерода в атмосферу, он был бы израсходован зелёными растениями за 7-8 лет. Скорость биологического оборота углерода через фотосинтез – 300 лет. Мировой океан играет большую роль в регулировании содержания СО2 в атмосфере. Если в атмосфере повышается содержание СО2, часть его растворяется в воде, вступая в реакцию с карбонатом кальция.

Круговорот кислорода.

Кислород обладает высокой химической активностью, вступает в соединения практически со всеми элементами земной коры. Встречается в основном в виде соединений. Каждый четвёртый атом живого вещества – атом кислорода. Почти весь молекулярный кислород в атмосфере возник и поддерживается на постоянном уровне благодаря деятельности зелёных растений. Кислород атмосферы, связываясь при дыхании и освобождаясь при фотосинтезе, проходит через все живые организмы за 200 лет.

Круговорот азота. Азот является составной частью всех белков. Общее отношение связанного азота, как элемента, составляющего органическое вещество, к азоту в природе равно 1:100000. Энергия химической связи в молекуле азота очень велика. Поэтому соединение азота с другими элементами – кислородом, водородом (процесс азотофиксации) – требует больших затрат энергии. Промышленная фиксация азота идёт в присутствии катализаторов при температуре -500оС и давлении –300 атм.

Как известно, атмосфера содержит более 78% молекулярного азота, но в таком состоянии он не доступен зелёным растениям. Для своего питания растения могут использовать лишь соли азотной и азотистой кислот. Каковы пути образования этих солей? Вот некоторые из них:

В биосфере фиксация азота осуществляется несколькими группами анаэробных бактерий и цианобактерий при нормальной температуре и давлении благодаря высокой эффективности биокатализа. Считается, что бактерии переводят в связанную форму приблизительно 1 млрд. т азота в год (мировой объём промышленной фиксации – около 90 млн.т).

Почвенные азотофиксирующие бактерии способны усваивать молекулярный азот из воздуха. Они обогащают почву азотистыми соединениями, поэтому их значение чрезвычайно велико.

В результате разложения азотосодержащих соединений органических веществ растительного и животного происхождения.

Под действием бактерий азот переходит в нитраты, нитриты, аммонийные соединения. В растениях соединения азота принимают участие в синтезе белковых соединений, которые в цепях питания передаются от организма к организму.

Круговорот фосфора. Ещё одним важным элементом, без которого невозможен синтез белков, является фосфор. Основные источники – изверженные породы (апатиты) и осадочные породы (фосфориты).

Неорганический фосфор вовлекается в круговорот в результате естественных процессов выщелачивания. Фосфор усваивается живыми организмами, которые при его участии синтезируют ряд органических соединений и передают на различные трофические уровни.

Закончив свой путь по трофическим цепям, органические фосфаты разлагаются микробами и превращаются в минеральные фосфаты, доступные для зелёных растений.

В процессе биологического круговорота, который обеспечивает движение вещества и энергии, нет места накоплению отходов. Продукты жизнедеятельности (т.е. отходы) каждой формы жизни являются питательной средой для других организмов.

Теоретически в биосфере всегда должен поддерживаться баланс между продуцированием биомассы и её разложением. Однако в отдельные геологические периоды сбалансированность биологического круговорота нарушалась, когда из-за определённых природных условий, катаклизмов не вся биологическая продукция усваивалась, трансформировалась. В этих случаях образовывались излишки биологической продукции, которые консервировались и откладывались в земной коре, под толщей воды, наносов, оказывались в зоне вечной мерзлоты. Так сформировались залежи каменного угля, нефти, газа, известняка. Надо отметить, что они не засоряют биосферу. В органических полезных ископаемых сконцентрировалась энергия Солнца, накопленная в процессе фотосинтеза. Сейчас, сжигая органические горючие полезные ископаемые, человек высвобождает эту энергию.

Солнечная энергия на Земле вызывает два круговорота веществ: большой (геологический) , наиболее ярко проявляющийся в круговороте воды и циркуляции атмосферы, и малый, биологический (биотический), развивающийся на основе большого и состоящий в непрерывном, циклическом, но неравномерном во времени и пространстве, и сопровождающийся более или менее значительными потерями закономерного перераспределения вещества, энергии и информации в пределах экологических систем различного уровня организации. Оба круговорота взаимно связаны и представляют как бы единый процесс.

Длится миллионы лет. Горные породы разрушаются, выветриваются и потоками вод сносятся в Мировой океан, где образуют мощные морские напластования. Часть химических соединений растворяется в воде или потребляется биоценозом. Крупные медленные геоктонические изменения, процессы, связанные с опусканием материков и поднятием морского дна, перемещение морей и океанов в течение длительного времени приводят к тому, что эти напластования возвращаются на сушу и процесс начинается вновь.

Биологический круговорот , являясь частью большого, происходит на уровне биогеоценоза и заключается в том, что питательные вещества почвы, воды, воздуха аккумулируются в растениях, расходуются на создание их массы и жизненные процессы в них. Продукты распада органического вещества под воздействием бактерий вновь разлагаются до минеральных компонентов, доступных растениям, и вовлекаются ими в поток вещества.

Взаимодействие абиотических факторов и живых организмов экосистемы сопровождается непрерывным круговоротом вещества между биотопом и биоценозом в виде чередующихся то органических, то минеральных соединений. Обмен химических элементов между живыми организмами и неорганической средой, различные стадии которого происходят внутри экосистемы, называют биогеохимическим круговоротом , или биогеохимическим циклом.

Существование подобных круговоротов создает возможность для саморегуляции (гомеостаза) системы, что придает экосистеме устойчивость: удивительное постоянство процентного содержания различных элементов.

Основные биохимические круговороты .

Круговорот воды

Около трети поступающей на Землю энергии Солнца затрачивается на приведение в движение круговорота воды. Море теряет из-за испарения воды больше, чем получает с осадками. На суше ситуация противоположная. То есть значительная часть осадков, поддерживающих экосистемы суши, приходит к нам с моря.

Однако немалый вклад в круговорот воды вносит и растительность данной конкретной местности, особенно в областях, находящихся в глубине континента, или же «экранированных» от моря грядой гор. Дело в том, что вода, поступающая в растения из почвы, почти полностью (97-99 %) испаряется через листья. Это называется транспирацией. Испарение охлаждает листья и способствует движению в растениях биогенных элементов.

Круговорот углерода

Углерод является одним из самых необходимых для жизни компонентов. В состав органического вещества он включается в процессе фотосинтеза. Затем основная его масса поступает в пищевые цепи животных и накапливается в их телах в виде различного рода углеводов.

Главную роль в круговороте углерода играет атмосферный и гидросферный фонды углекислого газа СО2. Этот фонд пополняется при дыхании растений и животных, а также при разложении мертвой органики. Некоторая часть углерода ускользает из круговорота в захоронения. Однако человек в последнее время достаточно успешно разрабатывает эти захоронения, возвращая в круговорот жизни углерод и другие важные для жизни элементы, накопленные за миллионы лет. Фотосинтезирующий зеленый пояс и карбонатная система моря поддерживают постоянный уровень СО2 в атмосфере.

Круговорот азота

Азот входит в состав аминокислот, являющихся основным строительным материалом для белков. Основным источником азота является атмосфера, откуда в почву, а затем в растения азот попадает только в форме нитратов, которые являются результатом деятельности организмов-азотофиксаторов (отдельные виды бактерий, сине-зеленых водорослей и грибов.

Второй источник азота для растений - результат разложения органики, в частности белков. При этом, в начале образуется аммиак, который преобразуется бактериями-нитрификаторами в нитраты и нитриты.

Возвращение азота в атмосферу происходит в результате деятельности бактерий-денитрификаторов, разлагающих нитраты до свободного азота и кислорода.

Круговорот фосфора

Фосфор является необходимым компонентом нуклеиновых кислот (РНК и ДНК), выполняющих в биосистемах функции, связанные с записью, хранением и чтением информации о строении организма. Фосфор - достаточно редкий элемент. Фосфор встречается лишь в немногих химических соединениях. Он циркулирует, переходя из органики в фосфаты, которые могут затем использоваться растениями. Особенность круговорота фосфора в том, что в нем отсутствует газообразная фаза. То есть основным резервуаром фосфора является не атмосфера, а горные породы и другие отложения, образовавшиеся в прошлые эпохи. Породы эти подвергаются эрозии, высвобождая фосфаты в экосистемы. После неоднократного потребления его организмами суши и моря фосфор в конечном итоге выводится в донные осадки. Это грозит дефицитом фосфора. В прошлом морские птицы, по-видимому, возвращали фосфор в круговорот. Сейчас основным поставщиком фосфора является человек, вылавливая большое количество морской рыбы, а также перерабатывающий донные отложения в фосфаты.

Круговорот серы

Сера является элементом, необходимым для синтеза многих белков. Для биосистем требуется очень мало серы.

Круговорот серы осуществляется через воздух, воду и почву. Сульфат SO4 аналогично нитрату и фосфату - основная доступная форма серы, которая восстанавливается растениями и включается в белки. Затем она проходит по пищевым цепям экосистем и возвращается в круговорот с экскрементами животных. Основными источниками поступления соединений серы в биосферу являются производственная деятельность человека (сжигание угля и серосодержащих углеводородов), вулканы, разложение органики и распад серосодержащих руд и минералов.

Пути возврата элементов в круговорот :

• через микробное разложение;
• через экскременты животных;
• прямой передачей от растения к растению в симбиозе;
• физическими процессами (молния, ионизация и т.п.);
• за счет энергии топлива (например, при промышленной фиксации азота);
• автолиз (саморастворение) - высвобождение питательных веществ из остатков растений и экскрементов без участия микроорганизмов.

Если не разрушать природные механизмы рециркуляции и не отравлять их, то они в основном самопроизвольно реализуют возврат в круговорот воды и элементов питания. К сожалению, человек так ускоряет движение многих веществ, что круговороты становятся несовершенными или процесс теряет цикличность: в одних местах возникает недостаток, а в других - избыток каких-то веществ.

Трофическая сеть

Обычно для каждого звена цепи можно указать не одно, а несколько других звеньев, связанных с ним отношением «пища - потребитель». Так, траву едят не только коровы, но и другие животные, а коровы являются пищей не только для человека. Установление таких связей превращает пищевую цепь в более сложную структуру - трофическую сеть .

Трофический уровень

Трофический уровень - условная единица, обозначающая удалённость от продуцентов в трофической цепи данной экосистемы. В некоторых случаях в трофической сети можно сгруппировать отдельные звенья по уровням таким образом, что звенья одного уровня выступают для следующего уровня только в качестве пищи. Такая группировка называется трофическим уровнем.

Круговорот веществ и потоки энергии в экосистемах

Питание - основной способ движения веществ и энергии. Организмы в экосистеме связаны общностью энергии и питательных веществ, которые необходимы для поддержания жизни. Главным источником энергии для подавляющего большинства живых организмов на Земле является Солнце. Фотосинтезирующие организмы (зеленые растения, цианобактерии, некоторые бактерии) непосредственно используют энергию солнечного света. При этом из углекислого газа и воды образуются сложные органические вещества, в которых часть солнечной энергии накапливается в форме химической энергии. Органические вещества служат источником энергии не только для самого растения, но и для других организмов экосистемы. Высвобождение заключенной в пище энергии происходит в процессе дыхания. Продукты дыхания - углекислый газ, вода и неорганические вещества - могут вновь использоваться зелеными растениями. В итоге вещества в данной экосистеме совершают бесконечный круговорот. При этом энергия, заключенная в пище, не совершает круговорот, а постепенно превращается в тепловую энергию и уходит из экосистемы. Поэтому необходимым условием существования экосистемы является постоянный приток энергии извне. Таким образом, основу экосистемы составляют автотрофные организмы - продуценты (производители, созидатели), которые в процессе фотосинтеза создают богатую энергией пищу - первичное органическое вещество. В наземных экосистемах наиболее важная роль принадлежит высшим растениям, которые, образуя органические вещества, дают начало всем трофическим связям в экосистеме, служат субстратом для многих животных, грибов и микроорганизмов, активно влияют на микроклимат биотопа. В водных экосистемах главными производителями первичного органического вещества являются водоросли. Готовые органические вещества используют для получения и накопление энергии гетеротрофы, или консументы (потребители). К гетеротрофам относятся растительноядные животные (консументы I Порядка), плотоядные, живущие за счет растительноядных форм (консументы II порядка), потребляющие других плотоядных (консументы Ш порядка) и т. д. Особую группу консументов составляют редуценты (разрушители, или деструкторы), разлагающие органические остатки продуцентов и консументов до простых неорганических соединений, которые зат-ем используются продуцентами. К редуцентам относятся главным образом микрорганизмы - бактерии и грибы. В наземных экосистемах особенно важное значение имеют почвенные редуценты, вовлекающие в общий круговорот органические вещества отмерших растений (они потребляют до 90% первичной продукции леса). Таким образом, каждый живой организм в составе экосистемы занимает определенную экологическую нишу (место) в сложной системе экологических взаимоотношений с другими организмами и абиотическими условиями среды.

Биологический и геологический круговороты.

Процессы фотосинтеза органического вещества из неорганических компонентов продолжается миллионы лет, и за такое время химические элементы должны были перейти из одной формы в другую. Однако этого не происходит благодаря их круговороту в биосфере. Ежегодно фотосинтезирующие организмы усваивают около 350 млрд т углекислого газа, выделяют в атмосферу около 250 млрд т кислорода и расщепляют 140 млрд т воды, образуя более 230 млрд т органического вещества (в пересчёте на сухой вес). Громадные количества воды проходят через растения и водоросли в процессе обеспечения транспортной функции и испарения. Это приводит к тому, что вода поверхностного слоя океана фильтруется планктоном за 40 дней, а вся остальная вода океана – приблизительно за год. Весь углекислый газ атмосферы обновляется за несколько сотен лет, а кислород за несколько тысяч лет. Ежегодно фотосинтезом в круговорот включается 6 млрд т азота, 210 млрд т фосфора и большое количество других элементов (калий, натрий, кальций, магний, сера, железо и др.). Существование этих круговоротов придаёт экосистеме определённую устойчивость.

Различают два основных круговорота: большой (геологический) и малый (биотический). Большой круговорот, продолжающийся миллионы лет, заключается в том, что горные породы подвергаются разрушению, а продукты выветривания (в том числе растворимые в воде питательные вещества) сносятся потоками воды в Мировой океан, где они образуют морские напластования и лишь частично возвращаются на сушу с осадками. Геотектонические изменения, процессы опускания материков и поднятия морского дна, перемещения морей и океанов в течение длительного времени приводят к тому, что эти напластования возвращаются на сушу и процесс начинается вновь. Малый круговорот (часть большого) происходит на уровне экосистемы и состоит в том, что питательные вещества, вода и углерод аккумулируются в веществе растений, расходуются на построение тела и на жизненные процессы как самих этих растений, так и других организмов (как правило животных), которые поедают эти растения (консументы). Продукты распада органического вещества под действием деструкторов и микроорганизмов (бактерии, грибы, черви) вновь разлагаются до минеральных компонентов, доступных растениям и вовлекаемых ими в потоки вещества. Круговорот химических веществ из неорганической среды через растительные и животные организмы обратно в неорганическую среду с использованием солнечной энергии и энергии химических реакций называется биогеохимическим циклом. В такие циклы вовлечены практически все химические элементы и прежде всего те, которые участвуют в построении живой клетки. Так, тело человека состоит из кислорода (62,8%), углерода (19,37%), водорода (9,31%), азота (5,14%), кальция (1,38%), фосфора (0,64%) и ещё примерно из 30 элементов.

Роль Человека.

Человеку подвластно менять силу действия и число лимитирующих факторов, а также расширять или, наоборот, сужать границы оптимальных значений факторов среды. Например, снятие урожая неизбежно связано с обеднением почв элементами минерального питания растений и переводом некоторых из них в категорию лимитирующих факторов. Различного рода мелиорации земель (обводнение, осушение, внесение удобрений и т. п.) оптимизируют факторы, снимают их лимитирующий эффект. Человек неизмеримо расширил свои адаптационные возможности за счет кондиционирования условий своей среды (одежда, жилище, новые материалы и т.п.) и тем самым резко уменьшил зависимость от природной среды и представляемых ею ресурсов. Например, в рационе человека пищевые ресурсы дикой природы составляют только 10-15%. Остальные пищевые потребности удовлетворяются за счет культурного хозяйства. Следствием уменьшения зависимости от факторов среды является расширение человеком своего ареала на всю планету и снятие естественных механизмов регулирования численности популяции.

Человек изменил этому принципу цепей питания и экологических пирамид по отношению, как к своей популяции, так и к другим видам (сортам, породам), особенно выращиваемым в культурном хозяйстве. Такое несоответствие природным экосистемам стало возможным благодаря присвоению и вложению в системы дополнительной энергии. Нарушение правил экологических пирамид оказывается неоправданно дорогим. Оно неизбежно сопровождается изменениями в круговоротах веществ, накоплением отходов и загрязнением среды. В качестве примера можно назвать животноводческие комплексы с их экологическими проблемами. Нарушение правил пирамид обусловливается также тем, что потребительские интересы человека вышли за пределы биологических ресурсов в целом. В круг его интересов включаются продукты (ресурсы) прежних геологических эпох, а многие из производимых продуктов становятся тупиковым звеном (отходами и загрязнителями). Людям Земли только как биологическому виду ежедневно требуется около 2 млн. т пищи, 10 млрд. м3 кислорода. Помимо этого, добывается и перерабатывается почти 30 млн. т веществ, сжигается около 30 млн. т топлива, используется 2 млрд. м3 воды и 65 млрд. м3 кислорода для технических нужд

В силу своей всеядности люди начинают поедать все более разнообразные организмы, для чего необходимы самые различные способы отлова добычи или поиска растений. Конечно, приходится также придумывать способы, как сделать добычу съедобной. Одно дело - изжарить кролика и совсем другое - приготовить на обед медузу. Только изощренный ум мог додуматься употребить в пищу, например, маниок, клубни которого горьки, да еще содержат синильную кислоту. Однако по всей Бразилии, да и не только там, маниок выращивают и поедают в количествах, сравнимых с поеданием в России картофеля. А ведь придумать технологию его обработки было весьма сложным делом.

Поедая самые различные организмы, человек включается во множество цепей питания, изымая дополнительную органику и заканчивая эти цепи собой. Он везде оказывается хищником высшего порядка. Так человек стал укорачивать цепи питания во множестве экосистем, а чем короче такая цепь, тем быстрее оборот вещества и энергии.

Также деятельность человека связана с сильным преобразованием естественных местообитаний. Современный человек предпочитает не изменяться в соответствии с условиями среды, а изменять сами эти условия. Поэтому он тратит значительные интеллектуальные и технические усилия на преобразование окружающей среды. Вспахав пространство луга и засеяв его нужными растениями, пахарь уже кардинально изменил среду. От множества растений луга он оставил одно, да и то чаще всего здесь чужое. Почву и ее фауну, сформированные здесь за много сотен лет, он преобразовал в несколько часов. В итоге ликвидирован ресурс практически всех видов животных, их кормовые растения исчезли. Преобразованное пространство стало непригодным для многих местных растений, а для других - недостижимо. Хозяин посева оберегает свое поле, поливает его гербицидами, сражается с потребителями-конкурентами.

Как мы помним, в экосистемах человек обитает не один, а с огромным количеством соседей - растительных и животных организмов. Далеко не всем им подходит эта преобразованная среда. Многие, особенно примитивные формы жизни, легко приспосабливаются к изменившимся условиям. Подавляющему же числу сложных организмов новая среда не годится. Они покидают эти места или погибают. Так что любое преобразование природы всегда приводит к гибели множества организмов .

Поедание . Диапазон кормов этого зоологического вида, наверное, самый широкий на планете. Человек - удивительный эврифаг (многояд) и ест практически все. Огромен перечень животных в его меню, куда наряду с традиционными коровами, овцами и домашней птицей входят термиты, саранча, кивсяки и сколопендры, некоторые пауки. Как лакомство поедаются многими народами личинки различных насекомых - пчел, древесных жуков. Жители Африки с аппетитом поедают громадных личинок жука голиафа, там, где он водится. Разнообразные ящерицы, змеи, черепахи и лягушки тоже прочно вошли в рационы людей. Обитатели воды - рыбы и моллюски - это традиционная пища еще со времен кроманьонца. Однако и здесь рацион вида расширился, включив огромную массу животных от китов до некоторых медуз и эвфаузид.

Экологи, исследуя рационы животных, особенно тех, что являются пищевыми конкурентами человека, отмечают у многих из них поразительную разноядность. Например, типичный полифаг, водяная полевка, уничтожающая посевы крестьян в южной части Западной Сибири, способна поедать более 300 видов растений. По мере изучения этого зверька составляются все более длинные списки пригодных для него кормов. Человек же в роли растительноядного животного (первичного консумента) далеко превзошел все прочие виды. Полных списков его пищевых растений на планете пока никто не составлял, но длину их нетрудно предположить. Так, в японской кухне используются для приготовления различных блюд бутоны цветков около 300 видов растений. Китайская же кухня еще более изощренна и разнообразна. А если добавить сюда списки пищевых видов растений из поваренных книг жителей тропической зоны!?

И животных, и растения человек использует в пищевых целях со все возрастающей интенсивностью. Если он не ест каких-то животных непосредственно, то скармливает их своим кормовым животным или удобряет ими поля. Человек расточителен и часто даже деликатесные виды наряду с питанием пускает как кормовые, а то и как удобрения. Например, история промысла морского полосатого окуня - рыбы почти 2-метровой длины и 50 - 70 кг веса. По вкусовым качествам она превосходит атлантического лосося. Этот окунь добывался в начале XVII века у берегов Новой Англии в огромных количествах. Большая часть таких уловов шла на удобрение земельных участков местных жителей. Колонисты фермеры сотни тонн этой рыбы закапывали в свои кукурузные поля. В районе Ньюфаундленда многие тонны атлантического лосося в начале XIX века использовали для удобрения полей. То же происходило при избыточном лове трески и осетра. Построены громадные заводы для переработки на удобрения и корма для животных макрели, сельди, мойвы и других морских рыб. В Ньюфаундленде в начале XVIII века мясо громадных морских раков омаров (они весили до 10 - 12 кг) использовали для наживки при лове трески, а также для откорма домашних животных. Каждое картофельное поле было усеяно панцирями этих ракообразных, ибо для удобрения под каждый картофельный куст закладывали по 2 - 3 омара. До середины XX столетия этими гигантскими и очень вкусными раками откармливали скот в некоторых районах Ньюфаундленда. Даже такая просвещенная страна, как Россия, до самого конца XX века поступала расточительно. В 1998 году по телевизору не очень сытому ее населению показывали, как на российском Дальнем Востоке бульдозерами зарывали в землю сотни тонн деликатесных лососевых рыб. Люди не смогли утилизировать свои уловы!

Человек обеспечил свое превращение в гиперэврибионта не за счет биологических механизмов, а за счет технических средств, и поэтому он в значительной мере утратил потенциал биологических адаптации. В этом причина того, что человек находится в числе первых кандидатов на уход с арены жизни в результате им же вызываемых изменений среды. Отсюда важный вывод: если современная ниша человека прежде всего результат разумной деятельности, власти над окружением, следовательно, разум должен выступать основной движущей силой ее изменения.

©2015-2019 сайт
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2016-04-26

Все вещества на нашей планете находятся в процессе круговорота. Солнечная энергия вызывает на Земле два круговорота веществ:

1) Большой (геологический или абиотический);

2) Малый (биотический, биогенный или биологический).

Круговороты веществ и потоки космической энергии создают устойчивость биосферы. Круговорот твердого вещества и воды, происходящий в результате действия абиотических факторов (неживой природы), называют большим геологическим круговоротом. При большом геологическом круговороте (протекает миллионы лет) горные породы разрушаются, выветриваются, вещества растворяются и попадают в Мировой океан; протекают геотектонические изменения, опускание материков, поднятие морского дна. Время круговорота воды в ледниках 8 000 лет, в реках - 11 дней. Именно большой круговорот поставляет живым организмам элементы питания и во многом определяет условия их существования.

Большой, геологический круговорот в биосфере характеризуется двумя важными моментами:

а) осуществляется на протяжении всего геологического развития Земли;

б) представляет собой современный планетарный процесс, принимающий ведущее участие в дальнейшем развитии биосферы.

На современном этапе развития человечества в результате большого круговорота на большие расстояния переносятся также загрязняющие вещества - оксиды серы и азота, пыль, радиоактивные примеси. Наибольшему загрязнению подверглись территории умеренных широт Северного полушария.

Малый, биогенный или биологический круговорот веществ происходит в твердой, жидкой и газообразных фазах при участии живых организмов. Биологический круговорот в противоположность геологическому требует меньших затрат энергии. Малый круговорот является частью большого, происходит на уровне биогеоценозов (внутри экосистем) и заключается в том, что питательные вещества почвы, вода, углерод аккумулируются в веществе растений, расходуются на построение тела. Продукты распада органического вещества разлагаются до минеральных компонентов. Малый круговорот незамкнут , что связано с поступлением веществ и энергии в экосистему извне и с выходом части их в биосферный круговорот.

В большом и малом круговоротах участвует множество химических элементов и их соединений, но важнейшими из них являются те, которые определяют современный этап развития биосферы, связанный с хозяйственной деятельностью человека. К ним относятся круговороты углерода, серы и азота (их оксиды - главнейшие загрязнители атмосферы ), а также фосфора (фосфаты -главный загрязнитель материковых вод) . Практически все загрязняющие вещества выступают как вредные, и их относят к группе ксенобиотиков.

В настоящее время большое значение имеют круговороты ксенобиотиков - токсичных элементов - ртути (загрязнитель пищевых продуктов) и свинца (компонент бензина) . Кроме того, из большого круговорота в малый поступают многие вещества антропогенного происхождения (ДДТ, пестициды, радионуклиды и др.), которые причиняют вред биоте и здоровью человека.

Суть биологического круговорота заключается в протекании двух противоположных, но взаимосвязанных процессов - созидания органического вещества и его разрушения живым веществом.

В отличие от большого круговорота малый имеет разную продолжительность: различают сезонные, годовые, многолетние и вековые малые круговороты .

Круговорот химических веществ из неорганической среды через растительность и животных обратно в неорганическую среду с использованием солнечной энергии химических реакций называется биогеохимическим циклом .

Настоящее и будущее нашей планеты зависит от участия живых организмов в функционировании биосферы. В круговороте веществ живое вещество, или биомасса, выполняет биогеохимические функции: газовую, концентрационную, окислительно-восстановительную и биохимическую.

Биологический круговорот происходит при участии живых организмов и заключается в воспроизводстве органического вещества из неорганического и разложении этого органического до неорганического посредством пищевой трофической цепи. Интенсивность продукционных и деструкционных процессов в биологическом круговороте зависит от количества тепла и влаги. Например, низкая скорость разложения органического вещества полярных районов зависит от дефицита тепла.

Важным показателем интенсивности биологического круговорота является скорость обращения химических элементов. Интенсивность характеризуется индексом , равным отношению массы лесной подстилки к опаду. Чем больше индекс, тем меньше интенсивность круговорота.

Индекс в хвойных лесах - 10 - 17; широколиственных 3 - 4; саванне не более 0,2; влажных тропических лесах не более 0,1 , т.е. здесь биологический круговорот наиболее интенсивный.

Поток элементов (азота, фосфора, серы) через микроорганизмы на порядок выше, чем через растения и животных. Биологический круговорот не является полностью обратимым, он тесно связан с биогеохимическим круговоротом. Химические элементы циркулируют в биосфере по различным путям биологического круговорота:

поглощаются живым веществом и заряжаются энергией;

покидают живое вещество, выделяя энергию во внешнюю среду.

Эти циклы бывают двух типов: круговорот газообразных веществ; осадочный цикл (резерв в земной коре).

Сами круговороты состоят из двух частей:

- резервного фонда (это часть вещества, не связанная с живыми организмами);

- подвижного (обменного) фонда (меньшая часть вещества, связанная с прямым обменом между организмами и их непосредственным окружением).

Круговороты делят на:

Круговороты газового типа с резервным фондом в земной коре (круговороты углерода, кислорода, азота) - способны к быстрой саморегуляции;

Круговороты осадочного типа с резервным фондом в земной коре (круговороты фосфора, кальция, железа и др.) - более инертны, основная масса вещества находится в «недоступном» живым организмам виде.

Круговороты также можно разделить на:

- замкнутые (круговорот газообразных веществ, например, кислорода, углерода и азота - резерв в атмосфере и гидросфере океана, поэтому нехватка быстро компенсируется);

- незамкнутые (создающие резервный фонд в земной коре, например, фосфор - поэтому потери плохо компенсируются, т.е. создается дефицит).

Энергетической основой существования биологических круговоротов на Земле и их начальным звеном является процесс фотосинтеза. Каждый новый цикл круговорота не является точным повторением предыдущего. Например, в ходе эволюции биосферы часть процессов имела необратимый характер, в результате чего происходило образование и накопление биогенных осадков, увеличение количества кислорода в атмосфере, изменение количественных соотношений изотопов ряда элементов и т.д.

Циркуляцию веществ принято называть биогеохимическими циклами . Основные биогеохимические (биосферные) циклы веществ: цикл воды, цикл кислорода, цикл азота (участие бактерий-азотфиксаторов), цикл углерода (участие аэробных бактерий; ежегодно около 130 т углерода сбрасывается в геологический цикл), цикл фосфора (участие почвенных бактерий; ежегодно в океаны вымывается 14 млн.т фосфора), цикл серы, цикл катионов металлов.