Биогеохимические циклы (Лекция)

 

ПЛАН ЛЕКЦИИ

1. Круговорот кислорода

2. Круговорот воды

3. Круговорот углерода

4. Круговорот азота

5. Круговорот фосфора

 

Круговороты химических элементов в биосфере, трассирующихся из внешней среды в живые организмы и растения и обратно во внешнюю среду, называются биогеохимическими циклами. "Био" указывает на отношение к жизни, живым организмам, а "гео" - к земной коре, к земному шару, воздуху и воде. Термин биогеохимия был впервые предложен В.И.Вернадским и окончательно закреплен в науке после публикации Джатчинсона в 40-х годах (1943-1950 гг.). Биогеохимия изучает обмен веществ между живыми и костными составляющими биосферы. Движение необходимых для жизни элементов и неорганических соединений называют круговоротом элементов питания, который в биосфере можно подразделить на два основных типа: круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере или гидросфере и осадочный цикл - в земной коре.

В биогеохимических циклах участвуют различные элементы, среди которых такие, как углерод, водород, кислород и азот, потребляются организмами в больших количествах. Человек уникален не только тем, что из более чем 90 элементов, известных в природе, его организм нуждается в 40 различных элементах, но и тем, что в своей жизнедеятельности он так или иначе использует почти все другие элементы природы. Более того, человек включает в циклический процесс все больше и больше искусственных элементов, создаваемых им, нисколько не проявляя заботы об экологических последствиях такого "содействия" природе. Возникает дисбаланс веществ (в частности, локальные избытки или дефицит), круговорот начинает деформироваться, терять цикличность (иначе говоря, процессы становятся несовершенными), нарушается процесс возвращения в круговорот. Известно, что там, где по тем или иным причинам круговорот жизненно важных элементов снижается или уменьшается, наступает биологическая катастрофа, в результате которой гибнут огромные количества рыбы, водоплавающих птиц и других животных. Одной из известных биологических катастроф является Эль-Ниньо, происходящая в зоне Перу в Южной Америке. Из-за "водяного парникового эффекта", когда по не известным еще причинам проникающие с севера теплые течения покрывают глубинные холодные воды, обогащенные биогенными веществами, существенное уменьшение фитопланктона приводит к голоду, гибнут десятки миллионов тонн рыб, птицы, гнездящиеся на побережье, покидают зону катастрофы.

Одним из главных направлений усилия по охране природы общества должно стать сохранение цикличности процессов и восстановление равновесия фондов химических элементов в круговоротах. Биологические катастрофы во многом связаны с движением и круговоротом воды, с их непрерывной изменчивостью. В своей природоохранной деятельности мы должны постигнуть методы восстановления и поддержания круговорота воды, углерода, кислорода и других элементов, а также мониторинга - контроля динамики элементов питания в этих средах - это одна из важных ступеней нерешенных проблем в экологии.

 

1. Круговорот кислорода

 

Биогеохимический цикл кислорода является глобальным процессом, охватывающим планетарные системы: атмосферу, гидросферу и литосферу. В атмосфере кислород находится в виде атомарного кислорода "О", молекул "О2" и озона "О3". Жизнь, создающая в земной коре свободный кислород, писал В. И. Вернадский, тем самым создает озон и предохраняет биосферу от губительных коротких излучений небесных светил". Круговорот кислорода - пример очень сложного цикла газообразных веществ, так как, совершая свой путь между атмосферой и живыми организмами, кислород обретает много химических форм. Так, в процессе фотосинтеза кислород выделяется зелеными растениями, тогда как при потреблении кислорода животными, при дыхании происходит противоположное обращение. В ряде окислительных процессов в природе, например, в верхних слоях атмосферы, образуется кислород (правда, в меньших количествах) под воздействием ультрафиолетовых лучей солнца в процессе диссоциации молекул воды и озона.

Рис. Круговорот кислорода в биосфере  

(по П. Клауду, А. Джибору 1972)

 

2. Круговорот воды

 

Круговорот воды в природе занимает особое положение в науках о Земле как процесс, непосредственно связанный с существованием жизни на планете. Такое важное явление, как круговорот воды, вызвала появившаяся на Земле жидкая вода, справедливо оцененная в далекой древности как одно из начал всего существующего в мире. Каков же этот процесс, ставший активным фактором формирования условий жизни и климата на нашей планете?

 

Рис. Круговорот осадков в гидросфере

 

Огромная масса воды на Земле представляет собой гигантское хранилище тепла, постоянно поступающего в атмосферу. Под воздействием солнечного тепла вода нагревается и испаряется с колоссальной поверхности планеты, а захватываемые и переносимые мощными воздушными потоками пары воды затем конденсируются и возвращаются на землю в виде осадков. Такой круговорот осадков имеет важное значение в механизме циркуляции атмосферы, а следовательно, и в формировании климата и условий погоды на Земле.

Солнечная энергия, получаемая океаном, способствует активному испарению воды, которая затем перераспределяется в системе "атмосфера - гидросфера". Водяной пар, непрерывно поступающий в атмосферу, создает наряду с углекислым газом так называемый "парниковый эффект", который состоит в том, что некоторые газы, в основном углекислый (значительно в меньшей степени метан, закись азота и другие газы), и пары воды, находясь в атмосфере, затрудняют отдачу тепла с поверхности Земли в окружающую среду и действуют как стекло или пленка в теплице. Роль водяного пара в парниковом эффекте значительна, ибо эти пары перехватывают и поглощают инфракрасное (тепловое) излучение Земли, создавая как бы мощное покрывало планеты. Таким образом, связь гидросферы с атмосферой оказывает существенное влияние на изменение климата планеты, и в этих процессах важны тепловые свойства воды (определяющим здесь является аномальная удельная теплоемкость воды). Благодаря высокой удельной теплоемкости воды, на континентах нет резких перепадов температур зимой и летом. Вместе с тем, колебания теплозапасов в мировом океане, изменения интенсивных океанских течений и массы морских льдов неизбежно ведут к глобальным изменениям погоды. В этой связи изучение взаимодействия океана и атмосферы является одной из важнейших задач современной метеорологии и смежных с ней наук.

Круговорот воды, несмотря на постоянную зависимость от климатических условий, сам в значительной мере воздействует на формирование климатических условий на Земле.

Вода на планете находится в непрерывном движении и изменении своего состояния, постоянно происходит водообмен между различными составными частями гидросферы. Благодаря мировому круговороту, происходит неуклонное обновление запасов воды с различной скоростью. Так, воды мирового океана обновляются за 2 млн. лет, почвенная влага примерно за 1 год, вода в реках за 12 суток (т.е. 30 раз в год), а пары в атмосфере за 9 суток (т.е. 40 раз в год).

Круговорот воды между сушей и океаном через атмосферу состоит из несметного количества частных круговоротов и "фильтросистем", включая и биосферный фильтр. Пройдя циклы круговоротов и систем фильтров, вода в конечном счете снова оказывается в главном своем хранилище - Мировом океане. Огромную роль в процессе возобновления запасов воды играет сформировавшаяся в результате эволюции система очистки (природные фильтры), через которые воды гидросферы постоянно пропускаются с различной скоростью. Примером таких очистных природных массивов могут служить: земная кора, через которую проходит значительная часть воды гидросферы, обновляясь и снова включаясь в природные воды; атмосфера, в которую вода поступает в парообразном состоянии и в новом качестве возвращается обратно в гидросферу в виде осадков; наконец, биосфера, пропускающая огромное количество воды через систему всех живых организмов Земли.

Биосфера нашей планеты включает в себя биосферу суши и океана, основную массу которых составляют фотосинтезирующие организмы. Водные растения непрерывно очищают воду, проходящую через их поверхность, а на суше растения транспирируют воду, т.е., получая ее из почвы, отдают в атмосферу в виде пара при испарении с крон. Системой транспирации на суше являются леса, поверхность листвы которых специалисты оценивают следующим образом: на каждый квадратный метр поверхности почвы лес создает 5,7 м листовой поверхности, зрелый еловый лес - 11 м, влажные тропические леса 22 м, саксауловый лес пустыни - 0,1 м, мхи и лишайники тундры - 2 м (при оценке следует также учесть, что почвенная влага от осадков проходит в основном через микроорганизмы и грибы, которые также очищают воду и значительно влияют на повышение интенсивности биосферной очистки). В океанской воде заросли водорослей всех видов и одноклеточные водоросли создают суммарную площадь поверхности очистки, равную 100 м2 в слое толщиной 100 м, по современным оценкам морские организмы (с учетом мельчайших планктонных организмов) пропускают через себя в течение одного года объем воды, равный двум Мировым океанам.

Рис. Схема круговорота воды

Круговорот воды, пронизывающий глобальный комплекс "суша - Мировой океан - атмосфера", представляет собой чрезвычайно сложную систему, в которую входят отдельные (составные) круговороты с природными очистными системами. Непрерывный круговорот воды в природе весьма важен как процесс, обеспечивающий сушу пресной водой, от которой зависит жизнь и хозяйственная деятельность человека.

Пресными считают воды с минерализацией до 1 г/л, солоноватыми – до 1-3 г/л, солеными – до 3-36 г/л, рассолами - с минерализацией более 35 г/л. Основные запасы пресной воды сосредоточены в гигантских кладовых планеты: ледниках и различных снежно-ледниковых массивах, а также под землей - около 99,2 % запасов пресной воды на Земле. В качестве главного источника пресной воды на протяжении длительного исторического периода человек использует речные воды, скорость возобновления которых около 12 дней.

 Следующий крупный источник пресной воды - это подземные воды, использование которых по объему составляет не более 20 % от количества воды, получаемой из рек, по причине, связанной с тем, что извлечение подземных вод сложнее и дороже, чем забор поверхностной речной воды. Почти не используются пресные воды болот. Специалисты считают неверным представление о болотах как о "гнилой" воде, эта вода стерильна из-за довольно высокого содержания фенолов. Благодаря этому качеству в прошлом болотную воду брали в виде запаса питьевой воды на корабли.

 

3. Круговорот углерода

 

Сложная система круговорота воды в гидросфере создала глобальный планетарный механизм непрерывного перемещения веществ за счет эрозии от наивысших уровней ландшафтов к уровню моря и далее в океан и другие водоемы. В этом разнородном процессе круговорота воды участвуют не только горные породы и органические элементы, но и различные растворенные и газообразные вещества, в том числе и углерод в форме углекислого газа (СО2).

Пожалуй, круговороты двуокиси углерода (СО2) и воды представляют собой самые важные для человечества глобальные биогеохимические процессы циркуляции веществ. Сейчас во всех системах экологического мониторинга развитых стран создана сеть измерительных станций для определения существенных изменений в круговоротах СО2 и N2О, от которых во многом зависит будущее Земной цивилизации. Важнейшей задачей специалистов нашего времени является решение проблемы полного контроля всех основных путей движения воды и СО2 в круговороте.

В процессе биохимического круговорота в доиндустриальный период в воде происходило поглощение СО2 первичными живыми организмами (бактериями, цианобактериями, сине-зелеными водорослями), в которых благодаря солнечной энергии обеспечивалась реакция соединения углекислого газа и воды с выделением кислорода: СО22О=СН2О+О2.

За последние сто лет содержание СО2 постоянно увеличивается за счет антропогенных загрязнений среды, связанных с развитием сельского хозяйства, промышленности, интенсивного сжигания горючих ископаемых, сведения лесов и т.д.

Рис. Круговорот двуокиси углерода (CO2)

 

Постоянно возрастающее потребление горючих ископаемых, с одной стороны, и уменьшение поглотительной способности - с другой, ведет к постепенному возрастанию содержания СО2 в атмосфере. Динамика увеличения содержания СО2 свидетельствует о возможных изменениях климата Земли.

Примерно в 1800 г. в атмосфере планеты содержалось около 290 частей СО2 на миллион (0,29 %); после точных измерений, проведенных в 1958г, содержание СО2 составило 315, а в 1980 - 335 частей на миллион. В случае увеличения вдвое содержания СО2 по сравнению с доиндустриальным уровнем можно ожидать потепление климата Земли, температура в среднем повысится на 1,5-4,5 0С, и это, наряду с подъемом уровня моря (в прошлом веке он поднялся примерно на 12 см) и изменением распределения осадков, может погубить сельское хозяйство.

В круговороте необходимых для сохранения жизни элементов и неорганических соединений СО2 отличается летучестью и хорошей растворимостью. Благодаря этим качествам даже небольшая концентрация углерода в атмосфере не лимитирует развитие жизни. Но есть лимитирующие жизнь элементы: фосфор, азот, калий - на суше, а в воде, дополнительно, и кремний. Поэтому круговорот воды в биогеохимическом цикле, содержащем важные для жизни элементы, лимитирует развитие жизни. В случае резкого снижения оборотов указанных элементов в воде (или замедление этого процесса) по тем или иным причинам наступает биологическая катастрофа, влекущая за собой гибель огромного количества живых организмов от фитопланктона до крупных морских рыб, животных и птиц.

Помимо СО2, в атмосфере присутствует еще два углеродных соединения: окись углерода СО - около 0,1 части на миллион и метан CH4 - 1,6 части на миллион. Оба эти вещества, СО и СН4, образуются при неполном разложении органических веществ, а в атмосфере оба окисляются до СО2. Накопление смертельного яда СО2 для человека в атмосфере городов с интенсивным автомобильным движением  становится все более угрожающим. Опасная для здоровья человека концентрация СО2, до 100 частей на миллион, становится частой в районах с большим движением автотранспорта.

Невредно напомнить, что курильщик, потребляющий пачку сигарет в день, получает до 400 частей на миллион, вследствие чего содержание оксигемоглобина в его крови уменьшается на 3%, а это приводит к болезням, связанным с нехваткой кислорода: анемии и тяжелым заболеваниям сердечно-сосудистой системы.

Углекислый газ СО2 обладает свойствами летучести и легкой растворимости, особенно в морской воде. Эти качества позволили СО2 так же, как и воде, иметь свой круговорот непосредственно между атмосферой и гидросферой. В таком глобальном круговороте СО2 атмосферная часть его незначительна в сравнении с количеством углерода, содержащегося в океанах, в ископаемом топливе и других хранилищах природы. По причине антропогенных выбросов (сжигание горючих ископаемых, поступление от сельского хозяйства и сведения лесов) в текущем столетии содержание СО2 постоянно растет.

Существует много различных мнений о причинах обогащения атмосферы углекислым газом. Сюда входят процессы фиксации СО2 сельскохозяйственными культурами, которые не возмещают количество высвобожденного углекислого газа, и сжигание горючих и другие явления антропогенного характера. Но с тем, что леса - важные накопители углерода, ибо в биомассе "зеленых легких" планеты содержится в 1,5 раза, а в гумусе в 4 раза больше углерода, согласны все. Полагают, что более 2 млрд. лет назад, когда на Земле появилась жизнь, в атмосфере было много СО2 и очень мало О2. За геологическое время в атмосфере постепенно увеличилось содержание кислорода и уменьшилось количество СО2 , чему способствовали геологические и химические процессы.

Вечная космическая "солнечная энергия" непрерывно и бесконечно перекачивает воду из Мирового океана. В этом удивительно отлаженном природой процессе - круговороте воды в гидросфере - активным участником становится жизнь. В свою очередь, жизнь в биосфере, используя воду океана и солнечную энергию, создала свой круговорот: Великий цикл, включающий в себя построение и развитие живого органического вещества, которое в дальнейшем будет разложено на простые составляющие, участвующие в вечном круговороте.

После того как живые существа погибают, грибы и микробы разлагают их на простые вещества, в частности воду и углекислый газ. Так осуществляется круговорот углерода, при котором за несколько лет (6-7 лет) весь углерод, содержащийся в атмосфере, транспортируется сквозь биосферу. Таким образом, такое глобальное свойство гидросферы, как ее круговорот, необходимо для получения в природе углерода и других важных для жизни элементов.

Фундаментальный характер взаимосвязи живого вещества с геологическими процессами в биосфере (в соответствии с теорией биологического единства) В.И.Вернадский выразил в следующей чрезвычайно важной мысли: Земная оболочка, биосфера, обнимающая весь Земной шар, имеет резко обособленные размеры, в значительной мере они обуславливаются существованием в ней живого вещества - она им населена. Между ее косной "безжизненной" частью и живым веществом, ее населяющим, идет непрерывный материальный и энергетический обмен, материально выражающийся в движении атомов, вызванном живым веществом. Этот обмен в ходе времени выражается закономерно меняющимся, непрерывно стремящимся к устойчивости равновесием. Оно пронизывает всю биосферу, и этот биогенный ток атомов в значительной степени ее создает. Так неотделимо и неразрывно биосфера на всем протяжении геологического времени связана с живым, заселяющим ее веществом. В этом биогенном токе атомов и связанной с ним энергией проявляется планетарное, космическое значение живого вещества. Рассматривая единство биологических и геологических процессов, В.И.Вернадский ставит вопрос о путях появления живого вещества и дальнейшей эволюции планетарной среды в качестве атмосферы и литосферы.

Очевидно, что "живое вещество" в процессе эволюции "вжилось" в гидросферу, стало ее составляющей, активно участвующей в глобальном  круговороте. Жидкая среда живого организма, в частности гидросфера человека, - одно из звеньев этой составляющей.

 

4. Круговорот азота

 

Атмосферный воздух на 78 % состоящий из азота, представляет огромный объем планетарной системы, куда азот поступает благодаря денитрофицирующим бактериям и водорослям. Частично этому содействуют электрические разряды в атмосфере. Процессы, из которых складывается сложный круговорот азота - это ассимиляция, нитрификация, денитрификация, разложение, выщелачивание, вынос, выпадение с осадками и т.д. Организмы и большинство зеленых растений нуждаются в различных химических формах азота. Растениям требуется азот в форме нитрат-ионов (NO3-) и  ионов аммония (NO4+). Животные удовлетворяют большую часть своих потребностей в азотных питательных веществах, поедая зеленые растения или травоядных животных. Газообразный азот (N2) ни растениями, ни людьми, ни большинством других организмов непосредственно не может быть использован. В природных условиях газообразный азот преобразовывается в растворимые в воде соединения, содержащие нитрат-ионы и ионы аммония, которые усваиваются в процессе круговорота корнями растений. Неорганические нитрат-ионы и ионы аммония преобразуются растениями в белки, ДНК и другие органические соединения.

Круговорот азота в биосферных процессах показан далее в виде упрощенной диаграммы.

 

Рис. Упрощенная диаграмма круговорота азота

 

Преобразование атмосферного газообразного азота в различные химические соединения в растениях называется фиксацией азота. Выброс соединений азота (нитриты, нитраты) в атмосферу и промышленная фиксация азота, поступающая в пахотные земли в виде удобрений, непосредственно связаны с деятельностью человека. Количество таких азотных соединений настолько велико, что его сравнивают с количеством природной фиксации азота в атмосфере.

Цикличность перемещения и виды микроорганизмов, участвующих в процессах обмена азотом между организмами и средой показаны на рисунке ниже. 

 

Рис. Циркуляция азота в системе «организмы - окружающая среда»

 

В процессе круговорота азот протоплазмы переводится из органической в неорганическую форму благодаря деятельности различных бактерий - редуцентов. Часть азота переводится на определенном этапе круговорота в аммиак и нитрат - соединение, наиболее пригодное для жизнедеятельности растений.

В чем же состоит вмешательство человека в круговорот азота?

1. Сжигание ископаемого топлива и древесины, сопровождающееся выбросом в атмосферу оксида азота (NO). Соединяясь с кислородом атмосферы, оксид азота образует NO2 - диоксид, а при взаимодействии с водяным паром образуется азотная кислота (HNO3) , которая становится частью кислотных осадков, отравляющих жизнь растений и организмов.

2. Выделение в атмосферу " парникового" газа - закиси азота (N2О) в результате действия бактерий на удобрения и отходы животноводства.

3. Сбросы нитратов и аммония в водоемы с животноводческих ферм, коммунально-бытовые стоки, что приводит к массовой гибели рыб.

4. Вынос из почвы нитратов и аммония при сборе урожая сельскохозяйственных культур, перенасыщенных азотом.

 

5. Круговорот фосфора

 

Фосфор встречается в значительно меньших химических формах, чем азот, поэтому круговорот фосфора по структуре проще циклов азота. Неотъемлемый элемент протоплазмы – фосфор - циркулирует, переходя из органических соединений в фосфаты, используемые растениями. В отличие от азота, сферой размещения для фосфора служит не атмосфера, а горные породы и другие отложения литосферы.

Рис. Схема круговорота фосфора

 

В своем круговороте фосфор постепенно перемещается из фосфатных месторождений на суше и мелководных осадков к живым организмам и обратно. Животные обогащают свой организм необходимым фосфором, поедая растения или животных. Большая часть фосфора возвращается в виде отходов или продуктов разложения в почву, в реки, на дно океана в качестве осадочных пород. С поверхности суши в океан смывается большое количество фосфатов в результате антропогенной деятельности. Часть фосфора возвращается на сушу в виде гуана (помета птиц), обогащенного фосфором экскрементов питающихся рыбой птиц. Важную роль играют и многолетние геологические процессы.

 


Рис. Упрощенная диаграмма круговорота фосфора

(по Т.Миллеру, 1993 г.)

 

Из диаграммы видно, что в данном случае бактерии играют меньшую роль, чем в рассмотренном ранее круговороте азота. Фосфор входит в состав молекул, в том числе ДНК, молекул жиров, а также в состав костей и зубов животных.

 


PSN 2000 рублей PlayStation Network
PSN 2000 рублей PlayStation Network


Разблокировка ZTE Blade A5
Разблокировка ZTE Blade A5


Xbox Live - Карта Оплаты 2000 рублей
Xbox Live - Карта Оплаты 2000 рублей