Лекция №14 Основы биогеохимии

Вопросы:

1. Биогеохимический круговорот вещества. Формы удержания накопления, перераспределения энергии

2. Круговорот воды, углекислоты, азота, фосфора, серы.

3. Нарушение круговоротов человеком

1. Биогеохимический круговорот вещества. Формы удержания накопления, перераспределения энергии

Современная биомасса Земли составляет примерно в 1,84110¹² т (в пересчете на сухое вещество), из которых на биомассу суши приходится около 1,83710¹² т, Мирового океана - 3,910⁹ т. Это связано с различной эффективностью фотосинтеза: использование лучистой энергии Солнца на площади океана равно 0,04 %, на суше - 0,1 %. Зеленые растения в биомассе суши составляют 99 %, животные и микроорганизмы - 1 %. Биомасса на суше распределена неравномерно и возрастает от полюсов к экватору, так же возрастает видовое разнообразие.

Вклад разных континентов в общую первичную продукцию суши примерно следующий (Чернова Н.М. и др., 1995 г.): Европа - 6, Азия - 28, Африка - 22, Северная Америка - 13, Южная Америка - 26, Австралия с островами Океании - 5 %. Продуктивность растений в расчете на 1 га составляет (в процентах от средней по всем континентам): в Европе - 89, в Азии - 103, в Африке - 108, в Северной Америке - 86, в Южной Америке - 220, в Австралии - 90. Наиболее продуктивны экосистемы тропических лесов, затем следуют обрабатываемые земли, степи и луга, пустыни, полярные зоны.

Биомасса Мирового океана почти в 1000 раз меньше, чем суши, хотя его поверхность занимает 72,2 % всей поверхности Земли. Однако удельная продуктивность океанических биоценозов настолько высока, что ничтожная по сравнению с сушей фитомасса океанов создает ежегодно чистую продукцию, сопоставимую с таковой на суше. Поэтому в океанах ежегодно образуется 5,510¹⁰ т растительной массы - примерно третья часть общей биомассы продуцируемой на планете.

Рост и размножение организмов, происходящие в биосфере, обеспечивают биогенную миграцию атомов в биосфере, которая обусловила в процессе эволюции создание современной экосистемы Земли. За сотни миллионов лет растения поглотили огромное количество диоксида углерода и одновременно обогатили атмосферу кислородом. Живые организмы глубоко воздействуют на природные свойства биосферы и всей планеты. Скелеты беспозвоночных образовали такие осадочные породы как известняк и мел; каменный уголь и нефть образовались из растительных остатков. Биогенное происхождение имеет и почва, которая представляет собой продукт жизнедеятельности микроорганизмов, растений и животных в их взаимодействии с неорганическими компонентами природы.

Приведем данные, которые ярко свидетельствуют о «напоре жизни». Биомасса Земли составляет 1,8410¹² т, т.е. около 0,00001 % земной коры (210¹⁹ т), ежегодная продукция живого вещества близка к 1,710¹¹ т. Полагая, что последний миллиард лет эта продукция была близка к современной, можно рассчитать ее суммарное количество за это время: 1,710¹¹ х 10⁹ = 1,710²⁰ т, т.е. почти на порядок больше массы земной коры. Согласно Н.М. Черновой, если можно было бы собрать всю биомассу, произведенную на Земле за последние 600 млн. лет, то она покрыла бы Землю слоем в сотни км.

По мнению В.И. Вернадского, биосфера уже длительное время является главной силой, придающей современный облик трем оболочкам Земли: литосфере, гидросфере и атмосфере. Развитие и характер этих оболочек определяется уже не астрономическими, а биогенными причинами. Исключение составляют лишь проявления вулканической деятельности, которые порождены глубинными геофизическими слоями Земли.

Структура и основные циклы биогеохимических круговоротов

Чтобы биосфера продолжала существовать и на Земле, не прекращалось развитие жизни, постоянно должны происходить непрерывные химические превращения ее живой материи. Иными словами, вещества после использования одними организмами должны переходить в усвояемую для других организмов форму. Такая циклическая миграция веществ и химических элементов может осуществляться только при определенных затратах энергии, источником которой является Солнце. Академик В.Р. Вильямс указывал, что единственный способ придать чему-то конечному свойства бесконечного - это заставить конечное вращаться по замкнутой кривой, то есть вовлечь его в круговорот.

Круговорот веществ - это многократное участие веществ в процессах, протекающих в атмосфере, гидросфере, литосфере, в том числе и тех их слоях, которые входят в биосферу планеты. При этом выделяют два основных круговорота: большой (геологический) и малый (биологический).

Большой круговорот длится миллиарды лет. Горные породы подвергаются разрушению, выветриванию, а продукты выветривания, в том числе растворимые в воде питательные вещества, сносятся потоками воды в Мировой океан. Здесь они образуют морские напластования и лишь частично возвращаются на сушу с осадками, с извлеченными человеком из воды организмами. Крупные, но медленно протекающие геотектонические изменения (опускание материков и поднятие морского дна, перемещение морей и океанов) приводят к тому, что эти напластования возвращаются на сушу, и процесс повторяется. Границы геологического круговорота значительно шире границ биосферы и в его процессах живые организмы играют второстепенную роль.

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, вновь доступных растениям и поэтому вовлекаемых ими в поток вещества.

Круговорот того или иного химического вещества из неорганической среды через растительные и животные организмы и обратно в неорганическую среду с использованием энергии Солнца и химических реакций называется биогеохимическим циклом. Биохимический цикл является частью биологического круговорота.

Биогеохимические круговороты в биосфере подразделяют на: 1) круговороты газового типа с резервным фондом веществ в атмосфере или гидросфере (азота, кислорода, диоксида углерода, водяных паров) и 2) круговороты осадочного типа с менее обширными резервуарами в земной коре (фосфора, кальция, железа).