Основные функции живого вещества в биосфере

Круговорот веществ – это многократное участие веществ в процессах, протекающих в атмосфере, гидросфере и литосфере. Геологический (большой) круговорот веществ связан с образованием и разрушением различных форм рельефа в результате геологических процессов при участии энергии Солнца (горообразование, выветривание горных пород, подъем новых материков). Геологический круговорот протекает без участия живых организмов и охватывает обширные области за пределами биосферы.

Движущей силой биологического (биогеохимического или малого) круговорота веществ является деятельность живых организмов, а главным источником энергии является солнечная радиация. Он совершается в пределах биосферы, а его интенсивность определяется в первую очередь температурой окружающей среды и количеством воды (в тропиках скорость круговорота выше, чем в тундре).

Движущей силой а нтропогенного круговорота веществ является хозяйственная деятельность человека, которая приводит к истощению природных ресурсов и загрязнению природной среды, что обусловливает незамкнутость антропогенного круговорота (обмена) веществ.

Из всех химических элементов наиболее важными для организмов и наиболее значимыми для биосферы являются круговороты основных элементов, входящих в состав живого вещества: углерода, кислорода, азота, фосфора и серы, поскольку они являются компонентами для построения основных молекул живого вещества - углеводов, липидов, белков и нуклеиновых кислот. Эти круговороты создаются живым веществом и одновременно поддерживают жизнедеятельность самих живых организмов. В процессе фотосинтеза за год зелеными растениями потребляется 480 млрд т вещества, уходит в атмосферу 250 млрд т свободного кислорода; при этом создается 240 млрд т живого вещества, в круговорот вовлекается 1,0 млрд т азота, 260 млн т фосфора, 200 млн т серы.

За время существования биосферы свободный кислород атмосферы обновлялся не менее миллиона раз, а воды Мирового океана прошли через биогенный цикл не менее 300 раз.

Круговорот воды является одним из грандиозных процессов на поверхности земного шара. Он играет главную роль в связывании геологического и биотического круговоротов. В биосфере вода совершает большой и малый круговороты, непрерывно переходя из одного состояния в другое. Испарение воды с поверхности океана, перенос и конденсация водяного пара в атмосфере, выпадение осадков на поверхность океана или на сушу с последующим возвращением воды в океан с речным и подземным стоком образуют большой круговорот. Взаимодействуя с литосферой, атмосферой и живым веществом, круговорот воды связывает воедино все части гидросферы: океан, реки, почвенную влагу, подземные воды и атмосферную влагу.

Активность водообмена (по М.И Львовичу)

Малый круговорот воды отличается тем, что он происходит в пределах экосистемы, представляя собой круговую циркуляцию воды между гидросферой, почвой, атмосферой, растениями, животными и микроорганизмами.

Круговорот углерода в биосфере начинается с поглощения СО₂ при фотосинтезе зелеными растениями и фотосинтезирующими водорослями, включает прохождение углерода по цепям питания в составе разнообразных органических соединений и заканчивается выделением углерода в составе СО_2, образующегося при окислении органических веществ в процессе дыхания всех видов организмов или их разложения после гибели. Часть углерода может выводится из круговорота и при последующем захоронении детрита накапливаться в литосфере в виде торфа, угля, горных сланцев, рассеянной органики или осадочных горных пород. Теперь человечество в огромных количествах добывает ископаемое топливо для обеспечения потребностей в энергии и, сжигая его, в определенном смысле завершает круговорот углерода, возвращая в атмосферу углекислый газ.

Другой путь углерода связан с созданием карбонатной системы в различных водоемах, где CO₂ переходит в H₂CO₃, HCO₃^1- и CO₃^2-, а затем с помощью растворенного в воде кальция (реже магния) происходит осаждение карбонатов CaCO₃ биогенным и абиогенным путями с образованием залежей известняков.

Круговорот углерода неразрывно связан с круговоротом кислорода – одного из наиболее активных газов, занимающего в составе земной атмосферы второе место после азота. Круговорот кислорода весьма сложен, поскольку он входит в состав множества химических соединений минерального и органического миров, но одним из ключевых звенев его также является СО₂ В течение геологической истории Земли содержание СО₂ в атмосфере все время снижалось, составляя когда-то 60%, но за последние 100 лет его концентрация вновь стала возрастать и, увеличилась на 25%, что, при сохранении этой тенденции, по мнению многих, может привести к глобальному потеплению. Парниковым эффектом (т.е. способностью задерживать тепловое излучение Земли в космос) обладают многие газы: фреоны (хлорфторуглероды, например - CCl₂F₂), метан CH₄, оксиды азота, пары воды и другие, однако СО₂ обеспечивает около 60% этого эффекта, последствиями которого может стать повышение уровня Мирового океана и затопление прибрежных территорий, изменение климата и усиление штормовой активности, смещение климатических зон, таяние многолетней мерзлоты и т.д.

С циркуляцией кислорода связана также проблема разрушения озонового слоя атмосферы, куда в результате человеческой деятельности попадают сотни веществ, многие из которых являются парниковыми газами и разрушителями озона: например, соединение хлора и брома, оксиды азота и серы и т.д.

По прогнозам при сокращении озонового слоя на 5% поток ультрафиолетового излучения увеличится на 10%, а количество заболеваний раком кожи – на 20-30%.

Круговорот азота является примером саморегулирующегося цикла с большим резервным фондом в атмосфере, в который азот составляет 78%. Большую роль в этом цикле играют микроорганизмы - азотфиксаторы (клубеньковые бактерии бобовых растений, некоторые водоросли и грибы), переводящие N₂ в нитраты, доступные остальным растениям, от которых по пищевым цепям он передается другим организмам экосистемы. Продукты их жизнедеятельности и мертвые тела, разлагаясь с помощью бактерий, возвращают азот в почву, главным образом в аммонийной (NH₄⁺) форме, которую некоторые бактерии - нитрификаторы могут переводить в нитритную (NО₂^-) или нитратную форму (NО₃^-), усваиваемые любыми растениями. Восстановление связанного азота до газообразного N₂ или оксидов азота N_xO_y осуществляется бактериями – денитрификаторами.

Проблемы, связанные с круговоротом азота заключаются в том, что для повышения продуктивности агроценозов, человек вносит в почву азотные удобрения, которые усваиваются не более чем на 50%. Смытые в реки нитраты приводят к эвтрофированию водоемов, а накопленные в овощах могут вызвать отравление. Оксиды азота, которые образуются в двигателях внутреннего сгорания и входят в состав фотохимического смога, взаимодействуя на свету с не полностью сгоревшими углеводородами топлива, образуют ядовитые озон и ПАН (пероксиацетилнитрат). Кроме того окислы азота в некоторых районах дают до 40% кислотных дождей, под воздействием которых не только гибнут природные сообщества, но и разрушаются памятники архитектуры.

Кислотные дожди связаны и с круговоротом серы, который имеет свои особенности. Сера – биогенный элемент, который почти не бывает в дефиците, имея обширный резервный фонд в почве в виде сульфатов и образуя свыше 420 минералов. В круговороте серы наряду с геохимическими и метеорологическими процессами большую роль играют микроорганизмы, одни из которых выполняют функцию окисления (например, аэробное окисление H₂S до SO₄^2- серо- и тиобактериями) а другие восстановления (анаэробное восстановление SO₄^2- до H₂S сульфатредуцирующими бактериями). Сульфат SO₄^2- - это основная доступная для живых организмов форма серы, которая восстанавливается автотрофами и включается в белки.

Круговорот фосфора это пример осадочного цикла с резервным фондом в земной коре, где, входя в состав различных минералов, фосфор содержится в виде неорганического фосфат-иона PO₄^3-, который поглощают растения, включая фосфор в состав различных органических соединений, передаваемых по пищевым цепям всем прочим организмам экосистемы. В процессе клеточного дыхания фосфаты вновь поступают в окружающую среду, после чего могут снова поглощаться растениями и начинать новый цикл.

В отличие от углекислого газа, который свободно переносится воздушными потоками, у фосфора нет газовой фазы и, попадая в водоемы, он аккумулируется там, насыщая, а иногда и перенасыщая их экосистемы.

Фосфор и другие минеральные биогены циркулируют в экосистеме лишь в том случае, если содержащие их "отходы" жизнедеятельности откладываются в местах поглощения данного элемента, как это и происходит в естественных экосистемах, но когда в их функционирование вмешивается человек, он нарушает естественный круговорот, перевозя например, удобрения или урожай вместе с аккумулированными биогенами на большие расстояния к потребителям.

Связующим и важнейшим составным элементом биосферы и всех других оболочек планеты является кислород:

Несмотря на то, что в состав живых организмов входят те же химические элементы, соединения которых образуют атмосферу, гидросферу и литосферу, организмы не повторяют полностью химического состава среды.