Круговорот веществ в биосфере. Понятие биогеохимического цикла. Биогеохимические цикл углерода.

Круговорот веществ в биосфере.

В основе жизни лежит обмен веществом и энергией между организмом и окружающей средой, представляющий собой совокупность химических (биохимических) процессов. В конечном счёте живой организм – это сложная химическая "машина", осуществляющая ассимиляцию, трансформацию и деассимиляцию химических элементов, входящих в состав органических и неорганических соединений. В то же время экологическая система, как структурная часть биосферы, являющаяся источником требуемых организму материальных ресурсов, представляет собой химическую среду обитания.

Показано, что зелёные растения используют солнечную энергию и синтезируют органические вещества из СО₂, Н₂О и минеральных элементов почвы. Эти вещества, частично расходуются в виде энергии, частично используются для роста растений, а при гибели растения – с одной стороны, консервируются в виде горючих ископаемых, например, торфа, каменного угля, сланцев, донных отложений в океане, с другой – перерабатываются редуцентами в СО₂, Н₂О и другие неорганические вещества.

Эти процессы идут уже сотни лет. Но поскольку Земля – конечное физическое тело, то любые химические элементы (в чистом виде или в виде соединений) также физически конечны. За миллионы лет их ассимиляции фотосинтезирующими  растениями, они должны были полностью исчерпаться, связавшись в мёртвую органику, т.е. косную материю. Но известно, что эти процессы протекают и сейчас с не меньшей интенсивностью.

Понятие биогеохимического цикла.

В.Р. Вильямс писал, что единственный способ придать чему-либо конечному свойство бесконечного – это заставить конечные вращаться по замкнутому кругу, т.е.  вовлечь его в круговорот. Таким образом, процесс круговорота биогенных элементов обусловливает бесконечно долгое существование живой материи, т.е. придаёт экосистемам стабильность.

Круговорот химических веществ из неорганической среды через растительные и животные организмы обратно в неорганическую среду с использованием солнечной энергии или энергии химических реакций носит название биогеохимического цикла.

Все биогенные элементы на планете находятся в процессе биогеохимического круговорота. Живая материя является важным звеном в этих процессах. Рассмотрим некоторые из них.

Биогеохимический цикл углерода.

Биогеохимический цикл углерода может быть представлен диаграммой (рис.1). Согласно приведённому циклу образующийся в результате процессов жизнедеятельности  организмов всех уровней углекислый газ фиксируется зелёными растениями в виде углеводов. Часть этих углеводов используется для построения тканей растений, другая часть в виде «топлива» для функционирования растений посредствам их клеточного дыхания. Консументы первого уровня усваивают ткани растений, частично формируя их в свои клеточные структуры, частично используя как энергетический ресурс для своего функционирования. Аналогичные процессы происходят на остальных трофических уровнях. Отмершие организмы всех уровней, а также выделяемые ими продукты жизнедеятельности представляют собой детрит – мёртвую органическую материю, которая перерабатывается редуцентами в СО₂ и Н₂О. Важная особенность круговорота углерода состоит в том, что в далёкие геологические эпохи (сотни миллионов лет назад) значительная часть фотосинтезируемого материала использовалась не консументами и редуцентами, а накапливалась и постепенно погребалась под различными минеральными осадками. Находясь в земле миллионы лет этот детрит под воздействием высокой температуры и давления превращался в нефть, природный газ и уголь; во что именно, зависело от исходного материала, продолжительности и условий пребывания в земле. Теперь человек добывая в огромных количествах это ископаемое топливо для обеспечения своих энергетических потребностей и снижая его в определённом смысле завершает круговорот углерода. Однако при этом резко возрастает концентрация СО₂ в атмосфере, причём его поступление существенно превышает фотосинтезирующие возможности зелёных растений.

Вмешательство человека в биогеохимический цикл углерода заключается в следующем:

1.  Сведение лесов и другой растительности, необеспеченное соответствующим уровнем лесовосстановительных работ

2.  Аэробное разложение порубочных остатков и корней деревьев

3.  Сжигание различных видов углеродсодержащего топлива.

Таким образом,  цикл углерода с глобальной точки зрения, представляет собой сложный биосферный процесс, являющийся фактором стабилизации экосистем биосферы в целом.

Круговорот фосфора

Этот элемент входит в состав генов и молекул, ответственных за перенос энергии внутри клеток (АТФ и АДФ), а также образующих клеточные мембраны живых организмов и  вещества, входящие в состав зубов и костей.

В различных минералах фосфор содержится в виде неорганических фосфат ионов РО₄^3-. Растения поглощают РО₄^3- из почвенной воды и включают их в состав различных органических соединений, где фосфор выступает в форме так называемого органического фосфата. По пищевым цепям он переходит от растений ко всем прочим организмам экосистем и возвращается в почву в виде фосфатов, непосредственно выделяемых животными, либо - опосредовано – в результате бактериального разложения органических соединений, содержащихся в остатках отмирающих растений. При этом фосфаты посредством фосфат-редуцирующих  бактерий образуют растворимые гидрофосфат-ионы, снова доступные растениям. Таков в общих чертах биогенный круговорот фосфора. Общий (большой) круговорот более сложен. Основной фонд фосфора, в отличие от азота и углерода, сосредоточен в горных породах, включая вулканический апатит, подвергающийся эрозии. В процессе эрозии образуются растворимые фосфаты, которые частью локализуются в почве, а частью выщелачиваются и сносятся в воду, где отлагаются в мелководных и глубоководных осадках. Возврат фосфора в почву или поверхностные воды происходит различными путями, например, за счёт подъёма океанических глубинных вод (апвеллинга). В пищевых цепях водных экосистем фосфор переходит от фитопланктона к рыбам, далее к морским птицам, возвращающим его на сушу. В атмосфере фосфор практически отсутствует, если не считать кратковременно присутствующих пылевидных форм и поэтому перенос происходит только в системе почва – вода. Сбалансированный круговорот фосфора предполагает, что его вынос с суши компенсируется возвратом на сушу, причём вынесенный фосфор не выключается из доступных фондов за счёт образования, например, нерастворимых соединений. Антропогенная деятельность активно изменяет круговорот фосфора. При этом баланс в глобальном аспекте может соблюдаться, а локальные изменения могут быть весьма значительными. Важной формой влияния человека на круговорот фосфора является вовлечение в использование депонированных на суше отложений (минералов, фосфатов, апатитов) для производства миллионов тонн фосфорных удобрений, а также детергентов (моющих средств). Большая часть фосфора, внесённого с удобрениями в почву смывается и исключаются из круговорота.

Правда, значительная часть фосфора возвращается на сушу в результате вылова рыбы, часть которой также идёт на производство удобрений. В обозримом будущем дефицита фосфора не ожидается, т.к. запас фосфорсодержащих пород велик, но избыточное поступление фосфора в воду в результате смыва удобрений и сброса промышленных и бытовых сточных вод  приводит к резкому повышению продуктивности водных экосистем. Резкий рост фитопланктона приводит к связыванию кислорода и обеднению им воды, что негативно сказывается на рыбе, приводит к преобладанию анаэробных процессов, т.е. явлению эвтрофикации.