Биотический круговорот

Главная функция биосферы заключается в обеспечении круговоротов химических элементов. Глобальный био­тический круговорот осуществляется при участии всех населяющих планету организмов. Он заключается в циркуляции веществ между почвой, атмосферой, гидросферой и живыми организмами. Благодаря биотическому круговороту возможно длительное существование и развитие жизни при ограниченном запасе доступных химических элементов. Используя неорганические вещества, зеленые растения за счет энергии Солнца создают органическое вещество, которое другими живыми существами (гетеротрофами - потребителями и деструкторами) разрушается, с тем чтобы продукты этого разрушения могли быть использованы растениями для новых органических синтезов.

Важная роль в глобальном круговороте веществ принадлежит цир­куляции воды между океаном, атмосферой и верхними слоями лито­сферы. Вода испаряется и воздушными течениями переносится на многие километры. Выпадая на поверхность суши в виде осадков, она способствует разрушению горных пород, делая их доступными для растений и микроорганизмов, размывает верхний почвенный слой и уходит вместе с растворенными в ней химическими соединениями и взвешенными органическими частицами в океаны и моря. Подсчитано, что с поверхности Земли за 1 мин испаряется около 1 млрд. т Н20 (на образование 1 г водяного пара необходимо 2,248 кДж). Энергия, затрачиваемая на испарение воды, возвращается в атмосферу. Циркуляция воды между Мировым океаном и сушей представляет собой важнейшее звено в поддержании жизни на Земле и основное условие взаимодействия растений и животных с неживой природой.

Под влиянием этого процесса происходит постепенное разрушение литосферы, перенос ее компонентов в глубины морей и океанов.

На создание органического вещества расходуется всего 0,1-0,2% солнечной энергии, достигающей поверхности планеты. Благодаря этой энергии осуществляется значительный объем работы по перемещению химических элементов.

В качестве примеров биотического круговорота рассмотрим круго­вороты углерода и азота в биосфере.

Круговорот углерода гораздо в большей степени, чем круговорот воды, зависит от деятельности живых организмов. Двуокись углерода (СО₂), в форме которой углерод содержится в атмо­сфере, ассимилируется наземными растениями в ходе фотосинтеза и включается в состав органических ве­ществ. В процессе дыхания растений, животных и микроорганизмов угле­род, содержащийся в органике, вновь переходит в атмосферу в виде СО₂. Всего за 7 -8 лет живые организмы про пускают через свои тела весь углерод, содержащийся в атмосфере. Гораздо большее количество углеро­да, чем в атмосфере, содержится в растворенном виде в морях и океа­нах (в виде СО₂, угольной кислоты Н₂СО_з и ее ионов). Этот углерод так­же доступен для использования живыми организмами и расходуется как в процессе фотосинтеза, так и на об­разование скелетов, состоящих из уг­лекислого кальция. За счет различ­ных биологических и химических про­цессов между океанами и атмосфе­рой происходит интенсивный обмен углеродом, причем заметное количе­ство углерода (3 млрд. т) ежегодно удаляется из круговорота, осаждаясь в виде малорастворимых карбонатов (солей угольной кислоты) в океанах.

За счет отложений торфа и кар­боната кальция из атмосферы ежегодно удаляется на 3-4 млрд. т боль­ше углерода, чем поступает в нее.

В последнее время возросло по­ступление в атмосферу углерода вследствие деятельности человека. Ежегодно в атмосферу поступает около 5 млрд. т углерода при сжига­нии ископаемого топлива и 1­2 млрд. т - за счет сведения лесов. В результате ежегодно содержание уг­лерода в атмосфере увеличивается на 3 млрд. т. Это может привести к серьезным нарушениям устойчивости биосферы.

Краткосрочные изменения содер­жания СО₂ в атмосфере практичес­ки полностью определяются деятель­ностью живых организмов и зависят от потоков углерода между такими его фондами, как атмосфера, раство­ренный углерод океанов, живое и мертвое органическое вещество, ис­копаемое топливо (уголь, нефть и газ). Однако содержание углерода в этих фондах составляет лишь ничтож­ную часть от его общего количества на Земле.

Значительная доля углерода со­держится в осадочных горных поро­дах - сланцах (в виде ископаемых растительных остатков - керогена) и карбонатных породах (в виде кар­боната кальция и карбоната магния). Циркуляция углерода между этими ос­новными фондами и атмосферой за­висит от геохимических процессов вы­ветривания, метаморфизма горных пород и вулканической деятельности.

Итак, биологический цикл углеро­да лишь часть более общего геохимического цикла. В основном от деятельности живых организмов и от хозяйственной деятельности человека зависят колебания уровня СО₂ в ат­мосфере, имеющие период от сотен до десятков тысяч лет. Более медленные, но не менее важные изменения, длящиеся миллионы лет, зависят от скорости выветривания горных пород и от тектонических процессов.

Круговорот азота также охватывает все области биосферы. Хотя его запасы в атмосфере практически неисчерпаемы, высшие растения могут использовать азот только после соединения его с водородом или кислородом. Исключительно важную роль в этом процессе играют азотфиксирующие бактерии. При распаде белков этих микроорганизмов азот снова возвращается в атмосферу.

Показателем масштаба биотического круговорота служат темпы оборота углекислого газа, кислорода и воды. Весь кислород атмосферы проходит через организмы примерно за 2 тыс. лет, углекислый газ ­за 300 лет, а вода полностью разлагается и восстанавливается в биотическом круговороте за 2 млн. лет.

Благодаря биотическому кру­говороту биосфере присущи опре­деленные геохимические функ­ции: газовая - биогенная мигра­ция газов в результате фото­синтеза и азотфиксации; концент­рационная - аккумуляция в своих телах живыми 'организмами хими­ческих элементов, рассеянных во внешней среде; окислительно-восстановительная - превращение ве­ществ, содержащих атомы с пере­менной валентностью