Все вещества на планете находятся в процессе круговорота. Солнечная энергия вызывает на Земле два круговорота веществ: большой (геологический, биосферный) и малый (биологический).
Большой круговорот веществ в биосфере характеризуется двумя важными моментами: он осуществляется на протяжении всего геологического развития Земли и представляет собой современный планетарный процесс, принимающий ведущее участие в дальнейшем развитии биосферы.
Геологический круговорот связан 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 и отражение солнечных лучей, теплопроводность и теплоемкость. 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. Со становлением биосферы в большой круговорот включились продукты жизнедеятельности организмов. Геологический круговорот поставляет живым организмам элементы питания и во многом определяет условия их существования.
Главные химические элементы литосферы: кислород, кремний, алюминий, железо, магний, натрий, калий и другие - участвуют в большом круговороте, проходя от глубинных частей верхней мантии до поверхности литосферы. Магматическая порода, возникшая при кристаллизации
магмы, поступив на поверхность литосферы из глубин Земли, подвергается разложению, выветриванию в области биосферы. Продукты выветривания переходят в подвижное состояние, сносятся водами, ветром в пониженные места рельефа, попадают в реки, океан и образуют мощные толщи осадочных пород, которые со временем, погружаясь на глубину в областях с повышенной температурой и давлением, подвергаются метаморфозу, т. е. «переплавляются». При этой переплавке возникает новая метаморфическая порода, поступающая в верхние горизонты земной коры и вновь входящая в круговорот веществ (рис. 32).
Рис. 32. Геологический (большой) круговорот веществ
Наиболее интенсивному и быстрому круговороту подвергаются легкоподвижные вещества - газы и природные воды, составляющие атмосферу и гидросферу планеты. Значительно медленнее совершает круговорот материал литосферы. В целом каждый круговорот любого химического элемента является частью общего большого круговорота веществ на Земле, и все они тесно связаны между собой. Живое вещество биосферы в этом круговороте выполняет огромную работу по перераспределению химических элементов, беспрерывно циркулирующих в биосфере, переходя из внешней среды в организмы и снова во внешнюю среду.
Малый, или биологический, круговорот веществ - это
циркуляция веществ между растениями, животными, грибами, микроорганизмами и почвой. Суть биологического круговорота заключается в протекании двух противоположных, но взаимосвязанных процессов - создания органических веществ и их разрушения. Начальный этап возникновения органических веществ обусловлен фотосинтезом зеленых растений, т. е. образованием живого вещества из углекислого газа, воды и простых минеральных соединений с использованием энергии Солнца. Растения (продуценты) извлекают из почвы в растворе молекулы серы, фосфора, кальция, калия, магния, марганца, кремния, алюминия, цинка, меди и других элементов. Растительноядные животные (консументы I порядка) поглощают соединения этих элементов уже в виде пищи растительного происхождения. Хищники (консументы II порядка) питаются растительноядными животными, потребляя пищу более сложного состава, включающую белки, жиры, аминокислоты и другие вещества. В процессе разрушения микроорганизмами (редуцентами) органических веществ отмерших растений и останков животных, в почву и водную среду поступают простые минеральные соединения, доступные для усвоения растениям, и начинается следующий виток биологического круговорота (рис. 33).
Круговорот и биогеохимические циклы веществ
Объясните смысл геологического круговорота на примере круговорота воды.
Как происходит биологический круговорот?
В чем заключается закон биогенной миграции атомов В.И. Вернадского?
Что такое резервный и обменный фонды природного круговорота? В чем различие между ними?
Земля как живой суперорганизм
*Чтобы биосфера могла существовать и развиваться, на Земле постоянно должен происходить круговорот биологически важных веществ, т. е. после использования они должны вновь переходить в усвояемую для других организмов форму. Этот переход биологически важных веществ может осуществляться только при определенных затратах энергии, источником которой является Солнце.
Ученый В. Р. Вильямс считает, что солнечная энергия обеспечивает на Земле два круговорота веществ - геологический, или большой, круговорот и биологический, малый, круговорот.
Геологический круговорот наиболее четко проявляется в круговороте воды. На Землю от Солнца ежегодно поступает 5,24ґ1024 Дж излучаемой энергии. Около половины ее расходуется на испарение воды. При этом из океана испаряется воды больше, чем возвращается с осадками. На суше, наоборот, больше выпадает осадков, чем испаряется воды. Излишки ее стекают в реки и озера, а оттуда - снова в океан (перенося при этом определенное количество минеральных соединений). Это и обусловливает большой круговорот в биосфере, основанный на том, что суммарное испарение воды с Земли компенсируется выпадением осадков.
**С появлением живого вещества на основе геологического круговорота возник круговорот органического в ещества, биологический (малый) круговорот.
Круговорот воды как пример геологического круговорота
(по Х. Пенмэну)
По мере развития живой материи из геологического круговорота постоянно извлекается все больше элементов, которые вступают в новый, биологический круговорот. В отличие от простого переноса минеральных веществ в большом круговороте, как в виде растворов, так и в виде механических осадков, в малом круговороте самыми важными моментами являются синтез и разрушение органических соединений. В противоположность геологическому, биологический круговорот обладает ничтожной энергией. На создание органического вещества, как известно, затрачивается всего 0,1-0,2% всей поступающей на Землю солнечной энергии (на геологический круговорот - до 50%). Несмотря на это, энергия, вовлеченная в биологический круговорот, производит огромную работу по созданию первичной продукции.
Биологический круговорот
С появлением на Земле живой материи
химические элементы непрерывно циркулируют в биосфере, переходя из внешней
среды
в организмы и опять во внешнюю среду. Такая циркуляция веществ по более
или менее замкнутым путям называется
биогеохимическим циклом.
Основными биогеохимическими циклами являются круговороты кислорода, углерода, воды, азота, фосфора, серы и других биогенных элементов.
*** Биогенная миграция вещества - одна из форм всеобщей миграции элементов в природе. Под биогенной геохимической миграцией следует понимать миграцию органического и косного вещества, участвующего в росте и развитии живых организмов и производимого последними в результате сложных биохимических и биогеохимических процессов. В.И. Вернадский сформулировал закон биогенной миграции атомов в следующем виде:
Миграция химических элементов в биосфере осуществляется или при непосредственном участии живого вещества (биогенная миграция), или же протекает в среде, геохимические особенности которой (О2, СО2, Н2 и т. д.) обусловлены живым веществом (тем, которое населяет биосферу в настоящее время, и тем, которое действовало на Земле в течение всей геологической истории).
Человек воздействует прежде всего на биосферу и ее живое население, поэтому он тем самым изменяет условия биогенной миграции атомов, создавая предпосылки для глубоких химических перемен. Таким образом, процесс может стать саморазвивающимся, не зависящим от желания человека, и при глобальном масштабе практически неуправляемым.
С точки зрения планетарного круговорота вещества, наиболее важным являются почвенно-ландшафтный, гидросферный и глубинный (внутриземной) циклы. В первом из них осуществляется извлечение химических элементов из горных пород, воды, воздуха, разложение органического вещества, поглощение и синтез различных органических и органо-минеральных соединений. В гидросферном цикле главную роль играют состав воды и биологическая активность живых организмов. Биопродуцирование вещества здесь осуществляется при господствующем участии фитои зоопланктона. В глубинном цикле биогенной миграции наиболее важная роль принадлежит деятельности анаэробных микроорганизмов.
****Процессы, происходящие в различных оболочках Земли, находятся в состоянии динамического равновесия, и изменение хода какого-либо из них влечет за собой бесконечные цепочки подчас необратимых явлений. В каждом природном круговороте целесообразно различать две части, или два "фонда":
резервный фонд - большая масса медленно движущихся веществ, в основном неорганической природы;
подвижный , или обменный, фонд - меньший, но более активный, для которого характерен быстрый обмен между организмами и окружающей средой.
Обменный фонд образуется за счет веществ, которые возвращаются в круговорот либо за счет первичной экскреции (от лат. excretum - выделенное) животными, либо при разложении детрита микроорганизмами.
Если иметь в виду биосферу в целом, то биогеохимические циклы можно подразделить на два основных типа:
круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере или гидросфере;
осадочный цикл с резервным фондом в земной коре.
Cтраница 1
Биологический круговорот связан с метаболизмом (обменом веществ) и образованием, а также разложением воды в живом веществе, в процессе его жизнедеятельности.
Любой биологический круговорот характеризуется многократным включением атомов химических элементов в тела живых организмов и выходом их в окружающую среду, откуда они вновь захватываются растениями и вовлекаются в круговорот. Малый биологический круговорот характеризуется емкостью - количеством химических элементов, находящихся одновременно в составе живого вещества в данной экосистеме, и скоростью - количеством живого вещества, образующегося и разлагающегося в единицу времени.
Биологический круговорот суши и гидросферы объединяют круговороты отдельных ландшафтов посредством водного стока и атмосферных перемещений. Особенно важна роль циркуляции воды и атмосферы в объединении всех материков и океанов в единый круговорот биосферы.
Биологическому круговороту веществ присуща созидательная функция, создание органического вещества и обогащение почвы питательными элементами. От него зависит жизнь в любых растительных сообществах: садах, лугах, полях, лесах. В последние годы возникла необходимость создания высокоинтенсивных типов круговорота в замкнутых системах, которые могли бы обеспечить жизнедеятельность в далеких межпланетных путешествиях.
Интенсивность биологического круговорота в первую очередь определяется температурой окружающей среды и количеством воды. Так, например, биологический круговорот интенсивнее протекает во влажных тропических лесах, чем в тундре.
Скорость биологических круговоротов на суше составляет годы и десятки лет, в водных экосистемах - несколько дней или недель.
Для биологического круговорота в лесу характерно длительное выключение из него азота и зольных элементов, заключенных в многолетней биомассе деревьев и кустарников, трансформация опада на поверхности почвы с образованием лесной подстилки и разнообразных по составу водорастворимых органических и минеральных продуктов его разложения.
Скорость биологических круговоротов и общее количество вовлекаемого в эти циклы вещества определяются масштабами и экологическими условиями в экосистемах. Для экосистем характерны различные экологические условия, под которыми подразумеваются экологические факторы внешней среды, прямо или косвенно воздействующие на живые организмы. Эти факторы могут быть абиотическими и биотическими.
Часть биологического круговорота, состоящая из круговоротов углерода, воды, азота, фосфора, серы и других биогенных веществ, называют биогеохимическим круговоротом.
В биологическом круговороте веществ особое место принадлежит азоту. При разложении органических веществ азот уходит в атмосферу либо в виде газообразных соединений, либо в свободном состоянии. Возвращение азота в почву, откуда его черпают растения, осуществляется сложным путем, в результате процесса, в котором участвуют специальные бактерии и некоторые другие организмы, связывающие газообразный азот атмосферы в соединения, доступные для потребления растениями.
В понятие биологический круговорот В. А. Ковда включает сумму циклических процессов обмена веществ и энергии между средой и совокупностью растительных и животных организмов. Если проследить за цепочкой последовательных превращений и миграцией отдельных элементов, участвующих в обмене между средой обитания, в частности почвой, и биотой, то можно обнаружить, например с помощью изотопной метки, что полный трансформационно-миграционный цикл элемента во всех почвах и на всех этапах ее функционирования включает как биологические, так и абиотические процессы трансформации и перемещения вещества. Например, в период между возвратом элемента на поверхность почвы с лесным опадом и его последующим поглощением корнями растений он может мигрировать по почвенному профилю. При этом интенсивность, направленность данного процесса будет определяться не только биотой, но и климатическими факторами, водно-физическими, сорбционными и другими свойствами почв.
Включаясь в биологический круговорот, они через растительную и животную пищу попадают в организм человека и, накапливаясь в нем, вызывают радиоактивное облучение.
Напротив, биологический круговорот вещества проходит в границах обитаемой биосферы и воплощает в себе уникальные свойства живого вещества планеты. Будучи частью большого, малый круговорот осуществляется на уровне биогеоценоза, он заключается в том, что питательные вещества почвы, вода, углерод аккумулируются в веществе растений, расходуются на построение тела и жизненные процессы как их самих, так и организмов - консументов. Продукты разложения органического вещества почвенной микрофлорой и мезофауной (бактерии, грибы, моллюски, черви, насекомые, простейшие и др.) вновь разлагаются до минеральных компонентов, опять-таки доступных растениям и поэтому вновь вовлекаемых ими в поток вещества.
12.1. Понятие о биологическом круговороте
Биологический круговорот – это возникший одновременно с появлением жизни на Земле круговорот химических элементов и веществ, осуществляемый жизнедеятельностью организмов. Он играет особую роль в биосфере. По этому поводу Н. В. Тимофеев-Ресовский писал: «Происходит огромный, вечный, постоянно работающий биологический круговорот в биосфере, целый ряд веществ, целый ряд форм энергии постоянно циркулируют в этом большом круговороте биосферы» (М. М. Камшилов, 1974; В. А. Вронский, 1997). В закономерностях биологического круговорота решена проблема длительного существования и развития жизни. На теле конечного объема, какова Земля, запасы доступных минеральных элементов, необходимых для осуществления функции жизни, не могут быть бесконечными. Если бы они только потреблялись, жизнь рано или поздно должна была бы прекратиться. «Единственный способ придать ограниченному количеству свойство бесконечного, – пишет В. Р. Вильямс, – заставить его вращаться по замкнутой кривой». Жизнь использовала именно этот метод. «Зеленые растения создают органическое вещество, незеленые разрушают его. Из минеральных соединений, полученных от распада органического вещества, новые зеленые растения строят новое органическое вещество и так без конца». С учетом этого, каждый вид организмов представляет собой звено в биологическом круговороте. Используя в качестве средств существования тела или продукты распада одних организмов, он должен отдавать в среду то, что могут использовать другие. Особенно велика роль микроорганизмов. Минерализуя органические остатки животных и растений, микроорганизмы превращают их в «единую валюту» – минеральные соли и простейшие органические соединения типа биогенных стимуляторов, снова используемые зелеными растениями при синтезе нового органического вещества. Один из главных парадоксов жизни заключается в том, что ее непрерывность обеспечивается процессами распада, деструкцией. Разрушаются сложные органические соединения, высвобождается энергия, теряется запас информации, свойственный сложно организованным живым телам. В результате деятельности деструкторов, преимущественно микроорганизмов, любая форма жизни неизбежно будет включаться в биологический круговорот. Поэтому с их помощью осуществляется естественная саморегуляция биосферы. Два свойства позволяют микроорганизмам играть столь важную роль: возможность сравнительно быстро приспосабливаться к различным условиям и способность использовать в качестве источника углерода и энергии самые различные субстраты. Высшие организмы не обладают такими способностями. Поэтому они могут существовать лишь в качестве своеобразной надстройки на прочном фундаменте микроорганизмов. Биологический круговорот, основанный на взаимодействии синтеза и деструкции органического вещества, – один из самых существенных форм организации жизни в планетарном масштабе. Только он обеспечивает непрерывность жизни и ее прогрессивное развитие.
В качестве звеньев биологического круговорота выступают особи и виды организмов разных систематических групп, взаимодействующие между собой непосредственно и косвенно с помощью многочисленных и многосторонних прямых и обратных связей. Биологический круговорот планеты также представляется сложной системой частных круговоротов – экологических систем, связанных между собой различными формами взаимодействия.
Биологический круговорот осуществляется в основном по трофическим (пищевым) цепям (рисунок 12.1).
При важной роли в нем растений и животных, поток биогенных элементов, как азот, фосфор, сера через популяции микроорганизмов в круговороте примерно на порядок выше, чем через популяции растений и животных. Важным показателем интенсивности биологического круговорота является скорость обращения химических элементов. В качестве показателя этой интенсивности можно использовать скорость накопления и разложения мертвого органического вещества, образующегося в результате ежегодного опада листьев и отмирания организмов.
Отношение, например, массы подстилки к той части опада, которая формирует подстилку, служит показателем скорости разложения опада и освобождения химических элементов. Чем выше этот индекс, тем меньше интенсивность биологического круговорота в данной экосистеме. Наибольшей величиной индекса (более 50) характеризуются заболоченные леса и тундра. В темнохвойных лесах индекс составляет 10–17, в широколиственных – 3–4, в степях – 1,0–1,5, в саваннах – не более 0,2. Во влажных тропических лесах растительные остатки практически не накапливаются (индекс не более 0,1). Поэтому здесь биологический круговорот наиболее интенсивный.
Доводилось мне читать литературу, где описывалась «модная тенденция» в науке XVI–XVII столетия - создание вечного двигателя. Эта мечта так и осталась неосуществимой, но идея, по-моему, срисована с природы. Круговорот живого и неживого происходит постоянно. Кто-то скажет, что через миллиарды лет Земля исчезнет, а я бы возразила, ведь из останков нашей галактики образуется новая. Наша Вселенная и есть вечный двигатель.
В чем суть биологического круговорота веществ
На Земле беспрерывно происходит два типа круговорота: биотический и абиотический.
Вещества сами по себе не являются живыми и одинаково принимают участие в обоих циклах, но как только оказываются внутри живого организма, то его можно считать участником биологического круговорота.
Элементы, участвующие в биологическом цикле:
- минеральные вещества;
- газы;
- вода.
Спектр веществ очень широкий. Условно их можно поделить на жизненно необходимые для организмов (вода, кислород, азот, углекислота) и несущие живому ущерб.
Процесс циркуляция веществ
Независимо от вредности или полезности любое вещество когда-то приходит в организм и однажды его покидает.
В случае с водой циркуляция происходит постоянно. Например, организм человека за день выводит около 6 литров, но мы не теряем свой вес за счет постоянного пополнения водных запасов. Испарившись из тела, молекулы воды устремляются к облакам, выпадают в виде дождя, попадают в водопровод и снова оказываются в организме.
По аналогичному принципу через любой живой организм проходят минеральные вещества и газы.
Циркуляция воздуха происходит интенсивнее всего: за сутки человек вдыхает 13 тыс. литров воздуха содержащего 20% кислорода, который на выдохе преобразуется в углекислоту. Тем не менее, благодаря растениям излишков углекислого газа в природе не наблюдается, они используют его во время фотосинтеза.
Некоторые вещества накапливаются в организме и не выводятся оттуда до самой смерти, они обычно наносят ущерб живому организму. Примерами таких веществ могут быть канцерогены, что вдыхаются курильщиками.
