Тема 6. Биогеохимический круговорот в биосфере.
Вопрос 1. Теория б/г/х цикличности биосферы.
С момента начала изучения взаимодействия живых организмов с окружающей средой стало ясно, что процессы биогенного массообмена имеют циклический.
Циклы массообмена различной протяженности в пространстве и неодинаковой длительности во времени образуют динамическую систему биосферы. В.И. Вернадский считал, что история большинства химических элементов, образующих более 99% массы биосферы, может быть понята лишь с учетом круговых миграций (циклов). При этом он подчеркивал, что «эти циклы обратимы лишь в главной части атомов, часть же элементов неизбежно и постоянно выходит из круговорота. Этот выход закономерен, т.е. круговой процесс не является вполне обратимым». Неполная обратимость и несбалансированность миграционных циклов допускают определенные концентрации мигрирующего элемента, к которым организмы могут адаптироваться, но в то же время, обеспечивают вывод избыточного количества элемента из данного цикла.
То есть, целостность биосферы как системы обусловлена непрерывным обменом веществом между её компонентами, в котором ключевую роль играют процессы, связанные с синтезом и разложением органического вещества. Реализуются они как в ходе обмена веществ между живыми организмами и окружающей средой, так и в процессах минерализации органического вещества после смерти организма в целом или отмирания отдельных его органов. Кроме того, свой вклад в круговорот вещества в биосфере сносят и небиогенные по своей природе процессы обмена веществом между различными компонентами географической оболочки.
БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ
биогеохимический круговорот веществ, обмен веществом и энергией между разл. компонентами биосферы, обусловленный жизнедеятель ностью организмов и носящий циклич. характер. Термин «Б. п.» введён в 10-х гг. 20 в. В. И. Вернадским, разработавшим теоретич. основы биогеохимич. цикличности в учении о биосфере и трудах по биогеохимии. Все Б. ц. в природе взаимосвязаны, составляют динамич. основу существования жизни, а нек-рые из них (циклы С, О, Н, N, S, Р, Са, К. Si и др. т. н. биогенных элементов) являются ключевыми для понимания эволюции и совр. состояния биосферы.
Схема биогеохимической цикличности в биосфере.
Вопрос 2. Б/г/х процессы в биосфере как основной вид массопереноса
Различают два основных кругооборота: большой (геологический) и маленький (биологический).
Большой кругооборот, длится миллионы лет и состоит в том, что горные породы подлежат 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 на протяжении продолжительного времени приводят к тому, что эти напластования возвращаются на сушу и процесс начинается снова.
Маленький кругооборот (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 самых этих растений, так и других организмов (как правило животных), которые съедают эти растения (консументы). Продукты распада органического вещества под действием деструкторов и микроорганизмов (бактерии, грибы, черви) снова разлагаются к минеральным компонентам, доступных растениям и что втягиваются ими в потоки вещества. Кругооборот химических веществ из неорганической среды через растительные и животные организмы назад в неорганическую среду с использованием солнечной энергии и энергии химических реакций называется биохимическим циклом. В такие циклы втянуты практически все химические элементы и прежде всего те, что принимают участие в построении живой клетки.
Дж. Хатчинсон. подчеркивал: «Чтобы биосфера продолжала существовать, чтобы движение в ней не прекращалось, здесь должен существовать круговорот биологически важных веществ, которые после использования должны вновь переходить в форму, пригодную для дальнейшего участия в круговороте» [2, с. 20]. Он уточнил и конкретизировал представления Вернадского об энергетической и геохимической функции живого в биосфере, роли растений в круговороте ряда химических элементов. Благодаря его исследованиям идеи Вернадского об исключительной роли растений в накоплении и сохранении энергии, создании биогенного и биокосного вещества в биосфере были не только подтверждены, но и получили свое более глубокое обоснование.
Развитие представлений Вернадского о геохимических циклах химических элементов в биосфере привело современное научное знание к раскрытию глобальных круговоротов не только отдельных химических элементов, но и их соединений. Учеными обращается внимание на роль таких круговоротов в поддержании целостности биосферы и будущего человечества.
Движущими силами Б. ц. служат потоки энергии Солнца (более широко — космоса) и деятельность живого вещества (совокупности всех живых организмов), приводящие к перемещению огромных масс химич. элементов, концентрированию и перераспределению аккумулированной в процессе фотосинтеза энергии.
Благодаря фотосинтезу и непрерывно дейстнующим циклич. круговоротам биогенных элементов создаётся устойчивая организованность биосферы Земли, осуществляется её нормальное функционирование. Нормальные (ненарушенные) Б. ц. в биосфере не являются замкнутыми, хотя степень обратимости годичных циклов важнейших биогенных элементов достигает 95—98%. Неполная обратимость (незамкнутость) — одно из важнейших свойств Б. ц., имеющее планетарное значение. За всю историю развития биосферы (3,5—3.8 млрд. лет) доля вещества, выходящая из биосферного цикла (длительностью от десятков и сотен до неск. тыс. лет) в геол. цикл (длительностью в млн. лет), обусловила биогенное накопление кислорода и азота в атмосфере, разл. химич. элементов и соединений в земной коре. Особенно показателен Б. ц. углерода. Ежегодно и:) биосферного Б. ц. наземных экосистем выходит («сбрасывается») в геол. цикл ок. 130 т углерода, что составляет всего 10 — 18% от запасов углерода, находящихся в обращении в совр. биосфере. В течение фанерозоя (ок. 600 млн. лет) за счёт неполной обратимости цикла углерода в ископаемых осадках накопились огромные запасы углеродистых отложений (известняков, битумов, углей, нефтей и др.), оцениваемые в 1016 —1017 т. Сложившаяся в ходе развития биосферы направленность планетарных и региональных Б. ц. привела к созданию устойчивого биогеохимич. (т. н. нормального) фона, характерного для той или иной местности. Этот фон различается для определённых регионов биосферы, в пределах к-рых по недостатку или избытку определённых химич. элементов выделяются естественные геохимич. аномалии — биогеохимич. провинции. С вариациями исторически сложившегося общего геохимич. фона территории и естественными биогеохимич. аномалиями, отражающими реально существующую неоднородность химич. состава биосферы, связаны мн. эндемичные болезни животных и человека. Глобальный характер хоз. деятельности человека приводит к качественным изменениям в естественной биогеохимич. цикличности природных процессов биосферы. По ряду параметров масштабы антропогенных воздействий сопоставимы с кол-вом веществ, вовлечённых в нормальные Б. ц. Техногенные продукты, поступающие в биосферу, перегружают нормальное её функционирование и выпадают частично или полностью из системы устойчивых Б. ц. Возникает новый тип техногенных геохимич. аномалий, наз. «неоаномалиями» или «антропоаномалиями». Они форми руются на нормальном биогеохимич. фоне в чрезвычайно короткие сроки и охватывают не только живое вещество, но и биокосные тела биосферы (атмосферу, почвы, природные воды), лроникают в глубокие горизонты земной коры. Происходит нарушение отлаженных во времени природных Б. ц. биосферы. Для ряда элементов и соединений Б. ц. становятся природно-антропогенными (циклы тяжёлых металлов, азота, серы, фосфора, калия и др.). Нек,-рые создаваемые человеком материалы (пластмассы, детергенты и др. продукты хим. синтеза — г. н. ксенобиотики) не включаются в природные и природно-антропогенные циклы и не перерабатываются в биосфере. Меры борьбы с нарушением Б. ц. связаны с природоохранной деятельностью, созданием малоотходных технологий, широкой реутилизацией продуктов пром. и с.-х. произ-ва, с поисками путей оптимизации осн. характеристик Б. ц. и возможностью разумного управления ими.