Круговорот вещества и энергии — одно из основных свойств динамики географической оболочки

Межструктурные круговороты вещества и энергии.Важнейшей особенностью географической оболочки являются круговороты вещества и энергии. Роль их в природе колоссальна, так как они обеспечивают многократность одних и тех же процессов и явлений, а также направленный характер их развития.

Круговорот веществ — многократное участие вещества в процессах, протекающих в геосферах планеты. Круговорот энергии — использование энергии в геосистемах для обеспечения круговоротов вещества.

Так как круговороты вещества и энергии в географической оболочке носят открытый характер, преобладание в них приходной или расходной частей свидетельствует о тенденциях развития данной системы, ее устойчивости или неустойчивости. В развивающихся природных системах всегда превалирует приходная составляющая, что обеспечивает расширенное осуществление процессов и явлений. В связи с тем что закон сохранения вещества и энергии был установлен для замкнутых (физических и химических) систем, а открытые природные системы в то время не исследовались, он ныне подвергается критике с точки зрения его всеобъемлемости. Очевидно, что рассматривать баланс приходно-расходной части географической оболочки при ее свободных контактах с Космосом и установленными поступлениями вещества и энергии из Вселенной нецелесообразно. Однако именно дисбаланс обусловливает возможность совершенствования геосистем (как он способствовал формированию Солнечной системы) и, вероятно, является более общей закономерностью, чем утверждение о сохранении вещества и энергии применительно к природным системам.

Какие могут быть круговороты и как их можно классифицировать? Поскольку мы изучаем географическую оболочку и ее компоненты, то и природные круговороты целесообразно рассматривать применительно к ее отдельным сферам и веществу каждой из них. Взаимодействие структурных частей географической оболочки, рассеивание их вещества протекают не хаотически, а представляют собой отдельные звенья общего межструктурного круговорота вещества и энергии, связывающего атмосферу, гидросферу, литосферу и биосферу в единое целое — географическую оболочку Земли.

Так как результатом общего круговорота вещества и энергии является обособление и функционирование географической оболочки, то такой круговорот можно именовать общегеографическим (глобальным) круговоротом вещества и энергии. В его основу положены представления В.И. Вернадского, А.Е. Ферсмана и других ученых о большом геохимическом цикле, или большом географическом круговороте вещества (рис. 7.7).

Исходным звеном общегеографического круговорота вещества и энергии является земная поверхность. Под влиянием солнечной энергии здесь возникают динамические явления в тропосфере и гидросфере, сопровождаемые переносом тепла и влаги, формируются зона активной жизни и кора выветривания — структурные части географических ландшафтов. Это зона гипергенеза в трактовке А.Е. Ферсмана, увенчанная тонким слоем современных ландшафтов. Следует обратить внимание на понятие «земная поверхность». С одной стороны, это геометрическая бестелесная плоскость раздела каменной тверди планеты с воздушной или водной средами, с другой — это поверхность земной коры с ее приповерхностной частью, где происходит изменение ее облика. В последнем случае земная поверхность становится объектом определенного вида, обусловленным ее постоянным изменением в ходе развития географической оболочки. Так ее рассматривают большая часть естественных наук и авторы настоящего учебника.

Общегеографический круговорот протекает медленно даже по геологическим масштабам времени. Он не является совершенно замкнутым. В разные геологические эпохи с неодинаковой силой проявляются тектонические процессы, в непрерывной эволюции находится органическая жизнь и потому качественно отличны ландшафты каждого круговорота и др.

Рис. 7.7. Большой географический круговорот (Ф. Н. Мильков, 1990): 1— приземные слои воздуха; 2 — область максимального скопления живого вещества (биостром); 3— кора выветривания; 4 — изверженные породы; 5— коренные породы другого состава

Общегеографический круговорот вещества и энергии представляет синтез частных круговоротов, главные из которых — литосферный (геологический) круговорот, круговорот воды, биологический круговорот. Это не простое сложение, а возникновение нового явления со своими особенностями.

Литосферные круговоротыпроявляются двояко. Во-первых, это действительно перемещение вещества самыми разнообразными механическими путями, что соответствует понятию «круговорот горных пород». Во-вторых, это изменение вещественного состава перемещаемых или пребывающих в состоянии покоя горных пород (перенос минеральных веществ в земной коре), и такие процессы чаще называют геохимическими круговоротами.

Круговорот горных пород. Возникшие продукты выветривания коренных пород и биогенные накопления в земной коре превращаются в комплексы осадочных пород. Под влиянием высоких температур и давления, а также воздействия глубинных растворов, осадочные породы подвергаются метаморфизации. На больших глубинах метаморфические породы находятся в состоянии термодинамического равновесия, нарушение которого в силу разных причин (изменение давления, поступление дополнительного тепла и др.) может повлечь образование магмы. Находящаяся под давлением магма, насыщенная газообразными продуктами недр, прорывается в верхние слои земной коры и, охлаждаясь, переходит в изверженные кристаллические породы или изливается на поверхность Земли. В зоне гипергенеза вновь происходит разрушение магматических, осадочных и метаморфических горных пород. Продукты выветривания переносятся водой, льдом или ветром и отлагаются (на суше или на дне водоемов) в виде рыхлых осадочных отложений, которые уплотняются в процессе диагенеза. На продуктах выветривания формируются ландшафты — начальное звено нового общегеографического цикла.

Геохимический круговорот. Следствием многих круговоротов в литосфере является изменение химического состава горных пород вследствие миграции — переноса минерального вещества и перераспределения химических элементов. Этот процесс осуществляется потоками воды (твердый и ионный сток рек, перенос океаническими течениями), воздуха (вынос солей с моря на сушу, перенос в атмосфере пыли и продуктов горения и др.), ледниками, оползнями, грязевыми потоками, во время обвалов, а также растениями и животными. Некоторые составляющие этого процесса показаны на рис. 7.8.

Механической миграцией называют перемещение вещества, происходящее без изменения его химического состава. Этот процесс начинается с разрушения вещества — физического выветривания, и в дальнейшем осуществляется агентами миграции — воздухом, водой, ледниками и др. В результате механической миграции часть твердого вещества удаляется с континентов в океаны или перемещается от возвышенных участков суши к понижениям и формирует кластические горные породы (песок, конгломерат и др.), на которые приходится свыше 90% массы осадочных горных пород. Механическая миграция составляет верхнюю (надземную) часть большого литосферного круговорота (рис. 7.9), или нисходящую часть литодинамического потока, по терминологии Н.А. Флоренсова. В течение года механическая миграция охватывает примерно 10¹⁰ т горных пород (за 10 млн лет этот процесс может переместить все вещество континентов, находящихся выше уровня моря). Из них 195×10⁹ т попадает в моря, т.е. покидает континенты.

Химической миграцией называют изменение свойств перемещаемого вещества и его химического состава. Этот процесс начинается с разрушения вещества за счет химического выветривания воздушными и водными мигрантами. Среди воздушных мигрантов важное значение имеют элементы, которые могут вступать в химические соединения — водород, кислород, углерод, азот. Их атомы много раз «процеживаются» через живое вещество, почву и гидросферу, т. е. совершают очень быстрые круговороты. Исключительно активен кислород, поэтому от него зависит миграция большинства других элементов. Отдельную группу составляют водные мигранты. Среди них особенно подвижны анионы серы, хлора, бора, брома. Они образуют легкорастворимые соли, накапливаются в воде при испарении и легко поглощаются организмами (сера входит в состав белков). Результатом их аккумуляции являются залежи соли, гипса, мирабилита и солевые корки в пустынях. Степень подвижности водных мигрантов не всегда объясняется их собственными свойствами (например, растворимостью в воде). Миграционную способность элементов ослабляют поглощение их организмами в ходе биогенной аккумуляции и почвенными коллоидами, процессы адсорбции и осаждения. Усиливают миграционную способность процессы минерализации органических соединений, растворение и десорбция. В целом баланс минерального вещества континентов резко отрицательный, что видно из табл. 7.5. Он компенсируется в определенной мере общим поднятием континентов в связи с действием механизма изостатической компенсации уравновешивания. Обращают на себя внимание большая доля эолового выноса вещества и сжигание минерального топлива в расходной статье баланса.

Рис. 7.9. Большой литосферный круговорот: 1 — поглощение вещества и энергии; 2 — поступление вещества и энергии в Космос и мантию; 3 — выделение энергии в ходе большого круговорота; 4 — рост информации (разнообразия); 5 — уменьшение информации; 6 — начало нового цикла круговорота

Таблица 7.5 Современный баланс минерального вещества суши

Многие химические элементы земной коры при контактных реакциях выходят за ее пределы и участвуют в других круговоротах, совершая обмен между живым веществом, атмосферой, гидросферой и литосферой, а также внутри этих сфер. В таком случае понятие переноса минерального вещества по своему содержанию шире, чем геохимические круговороты, в связи с чем их часто выделяют в особую категорию и относят к биогеохимическим круговоротам.

Глобальный круговорот воды.Рассеянная в атмосфере, погребенная в земной коре либо составляющая собственно гидросферу вода играет исключительную роль в функционировании всей географической оболочки как динамической системе, находящейся в непрерывном движении.

Круговорот воды — это непрерывный процесс циркуляции влаги, охватывающий атмосферу, гидросферу, литосферу и биосферу. Он происходит по условной схеме: выпадение атмосферных осад-

ков, поверхностный и подземный сток, инфильтрация, испарение, перенос водяного пара в атмосфере, его конденсация, повторное выпадение атмосферных осадков. Движущей силой глобального круговорота воды служит солнечная энергия, вызывающая испарение с поверхности океанов и суши. Основной источник поступления влаги в атмосферу (85%) — поверхность Мирового океана, а с поверхности суши поступает около 14%. В процессе круговорота вода может переходить из одного агрегатного состояния в другое. Выделяют круговороты воды в атмосфере, между атмосферой и поверхностью Земли, между земной поверхностью и недрами литосферы, внутри недр литосферы, в гидросфере.

Вот как описывает круговорот воды в природе С.В. Калесник: «Испарение воды с поверхности океана, конденсация водяного пара в атмосфере и выпадение атмосферных осадков на поверхности океана образуют малый круговорот. Но когда водяной пар переносится воздушными течениями на сушу, круговорот воды становится сложнее. Часть осадков, выпавших на поверхность суши, испаряется и поступает обратно в атмосферу, другая часть наземными и подземными путями стекает в понижения рельефа и питает реки и стоячие водоемы. Процесс испарения воды и выпадение осадков на сушу может повторяться многократно, но, в конце концов, влага, принесенная на сушу воздушными течениями с океана, вновь возвращается в океан речным иподземным стоком, завершая свой большой круговорот».

Круговорот воды не замыкается только на Земле. Молекулы водяного пара, поднятые в высокие слои атмосферы, подвергаясь фотодиссоциации под действием ультрафиолетовых лучей Солнца, распадаются на атомы кислорода и водорода. Вследствие высоких температур в термосфере скорость частиц водорода превышает космическую, и он уходит из атмосферы в межпланетное пространство. Очевидно, что ускользание одного атома водорода означает для Земли потерю одной молекулы воды. В свою очередь, и Космос снабжает Землю водой, которая содержится в метеоритном веществе и ледяных кометах. По некоторым оценкам, этим путем за сутки на Землю поступает около 80 м³ влаги, т.е. 25 — 30 тыс. т ежегодно.

В природном круговороте воды можно выделить три основных звена: материковое, океаническое и атмосферное.

Материковое звено круговорота воды. Попадая на поверхность суши в виде атмосферных осадков, вода либо просачивается в почву (инфильтрация), либо стекает по поверхности, формируя поверхностный и речной сток, и затем поступает в озера, моря и океаны (рис. 7.10). Часть воды испаряется, причем испарение происходит как непосредственно с поверхности почвы, водоемов и надземных органов растений, так и из почвы, коры выветривания и горных пород после подъема по капиллярам к поверхности. Часть просочившейся в почву влаги перемещается в виде внутрипочвенного стока, а также грунтовых и подземных вод. Грунтовые и подземные воды иногда выходят на земную поверхность на склонах, в местах выклинивания водоносных горизонтов, а также в руслах рек. Часть подземных вод пополняет водные запасы глубоких подземных горизонтов и тем самым надолго выходит из активного водообмена.

Рис. 7.10. Мировой объем круговорота воды за день, км³

Специфический элемент континентального звена круговорота воды составляют ледники. Масса ледников на Земле в течение геологической истории испытывала большие колебания. Несколько раз на планете происходили крупные материковые оледенения, когда огромные массы воды изымались из океана и сосредотачивались в виде ледниковых покровов на суше (в основном в околополярных областях). В такие периоды уровень Мирового океанам снижался на 100 м и более. Напротив, в межледниковые эпохи; ледники исчезали почти полностью, что приводило к повышению; уровня океана.

Океаническое звено круговорота воды. Океан нагревается главным образом сверху за счет поглощения солнечной радиации и теплового противоизлучения атмосферы. Геотермический поток, идущий к океаническому дну из земных недр, невелик и не оказывает значительного влияния на тепловой режим океана, кроме его самой глубоководной зоны. Нагревание воды океана сверху сообщает ей гидростатическую устойчивость (нагревающиеся верхние слои имеют меньшую плотность, чем нижележащие более холодные), вследствие чего вертикальные движения в океане выражены слабее, чем в атмосфере. Этому способствует и более высокая плотность воды по сравнению с воздухом.

Совокупность перемещений воды в океане складывается из движений и круговоротов различных пространственных и временных масштабов. Периоды движений колеблются от нескольких секунд до сотен лет, а пространственные (горизонтальные и вертикальные) масштабы — от нескольких миллиметров до тысяч километров. Помимо морских течений, составляющих общую циркуляцию океаносферы, в океаническом звене участвуют также турбулентные явления, поверхностные и внутренние волны, приливные явления (колебания уровня и приливо-отливные течения), меандры и вихри, явления апвеллинга и даунвеллинга, переносящие энергию воды в горизонтальном и вертикальном направлениях.

В соответствии с зональным распределением солнечной энергии по поверхности планеты, в океане и атмосфере создаются генетически взаимосвязанные циркуляционные системы, образованные однотипными водными и воздушными массами. Важнейшим механическим фактором возникновения океанической циркуляции является ветровое трение о поверхность воды, благодаря чему океан получает механическую энергию от атмосферы. Ветер вызывает дрейфовые течения, которые обусловливают сгон воды в одних районах и нагон в других, в результате чего возникают градиентные течения.

Образованию течений способствуют также термохалинные факторы: получение и отдача теплоты, атмосферные осадки, испарение, приток воды с материков влияют на температуру и соленость воды, а тем самым на ее плотность. Более плотные слои опускаются, что приводит к вертикальному перемешиванию, а затем и к горизонтальному переносу (адвекции).

Одной из характерных особенностей циркуляции поверхностных вод Мирового океана является система круговоротов отдельных элементов. Из рис. 7.11 видно, что морские течения образуют в каждом океане циркуляционные системы. Исключение составляет Антарктическое циркумполярное течение (течение Западных Ветров, или Великий Восточный дрейф), образующее непрерывный ток воды вокруг земного шара в средних широтах Южного полушария, у которого нет аналога в Северном полушарии.

Циркуляция поверхностных вод почти полностью повторяет сложившиеся в том или ином районе Мирового океана главные системы ветров, однако, как показал И.В.Максимов, объяснять циркуляцию океана только процессами в атмосфере нельзя, поскольку существуют и другие источники, в том числе внеземного происхождения (Луна, Солнце).

Если рассчитать прибыль и убыль воды, обусловленные поверхностными течениями, то обнаружится дисбаланс: в одних районах воды поступает больше, чем убывает, в других — наоборот. Ответ следует искать в вертикальном обмене, который связывает поверхностные течения с глубинными. На глубине система течений отличается от поверхностной и во многих случаях наблюдаются глубинные противотечения, направленные в сторону, противоположную распространению поверхностных вод. Например, течение Кромвелла в Тихом океане на глубине 100—400 м движется с запада на восток под поверхностным Южным Пассатным течением, течение Ломоносова в Атлантическом океане также проходит под Южным Пассатным течением с запада на восток. Однако и в поверхностных системах формируются поверхностные противотечения, разграничивающие потоки одного направления (например, Межпассатные противотечения Тихого и Атлантического океанов).

В конкретные моменты времени поля течений, составляющие океаническое звено, будут отличаться от средней картины. Подобно рекам, они могут причудливо изменять направления (меандрировать) или образовывать завихрения, подобно воздушным или русловым потокам.

Океан обладает большой тепловой и динамической инерцией и его реакция на воздействие атмосферы запаздывает. По выражению А.С. Монина, океан является своего рода «запоминающим устройством», хранящим «отпечатки» атмосферы за некоторый предшествующий период.

Атмосферное звено круговорота воды. Содержание воды в атмосфере невелико: при выпадении на земную поверхность всей воды, находящейся в атмосфере, образовался бы слой в 25 м. Однако скорость влагооборота в атмосфере выше: за год влага сменяется примерно 45 раз (в среднем 1 раз за 8 дней). В результате на земную поверхность за год выпадает в среднем слой атмосферных осадков, равный 1,1 м.

Влага в атмосферу поступает за счет испарения. Ежегодно с земной поверхности испаряется 577×10¹² м³ воды, причем 505×10¹² м³ из них — с поверхности океана. На испарение затрачивается 80% радиационного бюджета. Столько же энергии выделяется при конденсации влаги в атмосфере на уровне облаков, причем водяной пар, перемещаясь на сотни и тысячи километров, переносит и большое количество тепла. Выделение в атмосферу скрытого тепла парообразования при конденсации — важнейший энергетический источник атмосферных процессов. Вот почему водяной пар называют «основным топливом атмосферы».

Обмен воздухом, содержащим влагу, между экватором и полюсами достигается в основном за счет горизонтального переноса воздушных масс. Вертикальные движения при этом не исключены, но скорость их намного меньше скорости горизонтальных.

Хозяйственное звено круговорота воды. Мнение о неограниченных запасах пресной воды на Земле основательно пересмотрено. Главными потребителями воды (обычно пресной) являются сельское хозяйство, промышленность и население. В сельском хозяйстве наибольшее (свыше 2×10¹² м³) количество воды расходуется на орошение, причем 80% ее безвозвратно покидает речную сеть в составе химических соединений или при испарении. Суммарныйводозабор на промышленные нужды составляет 0,7×10¹² м³/год, из них 5—10% изымаются безвозвратно для обеспечения технологических процессов. На нужды населения используется около 0,2×10¹² м³/год, причем шестая часть воды не возвращается в речную сеть. Следует учитывать, что сточные воды практически для любого обезвреживания необходимо разбавлять чистыми, на что внастоящее время расходуется примерно 40% всех мировых ресурсов качественной воды.

Рис. 7.11. Поверхностные течения Мирового океана (С.Нешиба, 1991): центральный круговорот северной части Тихого океана: 1 — Куросио; 2 — Северо-Тихоокеанское; 3 — Калифорнийское; 4 — Северное Пассатное; центральный круговорот южной части Тихого океана: 5 — Восточно-Австралийское; 6 — Западных Ветров (часть Антарктического циркумполярного течения); 7 — Гумбольдта (Перуанское); 8 — Южное Пассатное; центральный круговорот Северной Атлантики: 9 — Гольфстрим; 10 — Северо-Атлантическое; 11 — Канарское; 12 — Северное Пассатное; центральный круговорот Южной Атлантики: 13 — Бразильское; 14 — Западных Ветров (часть Антарктического циркумполярного течения); 75 — Бен-гельское; 16— Южное Пассатное; центральный круговорот Индийского океана: 17 — Мыса Игольного; 18 — Западных Ветров (часть Антарктического циркумполярного течения); 19 — Западно-Австралийское; 20 — Южное Пассатное; субарктический круговорот северной части Тихого океана: 21 — Аляскинское; 22 — Аляскинский поток; 23 — Склоновое течение Берингова моря; 24 — Камчатское; 25 — Ойясио; субтропический круговорот Северной Атлантики: 26 — Ирмингера; 27 — Восточно-Гренландское; 28 — Лабрадорское; другие элементы циркуляции: 29 — Межпассатное противотечение; 30 — Сомалийское течение

По отношению к речному стоку названные объемы невелики. Однако в наиболее густонаселенных районах Передней и Средней Азии, Африки, в некоторых промышленных регионах России уже существует ощутимый дефицит водных ресурсов, который даже увеличивается. Чтобы его восполнить, прибегают к искусственному территориальному перераспределению стока и мелиорации, что в свою очередь не только создает многочисленные экологические проблемы, но и экономически не всегда оправдано.

Мировой водный баланс. Количественное выражение глобальный круговорот воды находит в водном балансе Земли — соотношении между количеством воды, поступающей на земную поверхность ввиде осадков, и уходящей с нее за счет испарения в определенный интервал времени. Среднегодовые количество осадков и испарение взаимно уравновешивают друг друга и составляют 1030 мм, или 525×10¹² м³.

На поверхность Мирового океана выпадает 458×10¹² м³ воды, что на 47×10¹² м³ меньше испарившейся с него влаги. Эта разность переносится на континенты и вместе с водой, испарившейся на суше, формирует атмосферные осадки (119×10¹² м³). Часть выпавшей на суше влаги снова вовлекается в испарение (72×10¹² м³), другая часть формирует сток (реки, ледники, подземные воды и др.), который направляется в океан, компенсируя превышение атмосферных осадков над испарением. Однако не всюду на поверхности океанов испарение превышает осадки. В умеренных и полярных областях, а также в приэкваториальной зоне осадков выпадает больше, чем испаряется.

Общую схему круговорота воды на поверхности Земли можно описать уравнениями водного баланса:

для поверхности Мирового океана

E₀ = X₀+f;

для поверхности суши

E_c = X_c-f,

где Е₀ — испарение с поверхности океанов; Е_с — испарение с поверхности суши; Х₀ — атмосферные осадки над океаном; Х_с — атмосферные осадки над сушей; f — сток с континентов.

Водный баланс связан с тепловым через испарение, так как на него затрачивается тепло, которое освобождается при конденсации водяного пара. Влагооборот сопровождается перераспределением тепла между геосферами и отдельными районами Земли, что важно для функционирования географической оболочки. Помимо этого, в процессе влагооборота происходит обмен веществом (солями, газами).

Биологические круговороты.Процессы созидания и разрушения органического вещества образуют биологические круговороты. Они сопряжены с круговоротами воды, воздуха, энергии, минеральных веществ подобно тому, как множество деталей составляют единый часовой механизм. Круговорот основных веществ в биосфере по Г.Хатчинсону показан на рис. 7.12.

Под биологическим круговоротом понимают поступление химических элементов из почвы, воды и воздуха в живые организмы, их превращение в новые соединения и возвращение в окружающее пространство в процессе жизнедеятельности организмов. Биологический (или биотический, по Н. Ф. Реймерсу) круговорот — явление непрерывное, циклическое, неравномерное во времени и пространстве. Оно сопровождается более или менее значительными потерями вещества, энергии и информации в пределах экологических систем различного уровня организации — от биогеоценоза до биосферы.

Круговороты в биосфере имеют свою специфику (рис. 7.13), поскольку различают собственный биологический цикл жизни организма, его вовлеченность в общегеографический круговорот и частные круговороты атмосферы, гидросферы, литосферы, где каждому виду отведена своя роль.

Круговороты в биосфере выглядят очень сложными, с множеством линейных и нелинейных связей и взаимоотношений. Полного круговорота веществ в пределах геосистем не происходит, так как часть веществ всегда уходит за их пределы.

Исходная ветвь биологического круговорота — фотосинтез, в результате которого создается органическое вещество. Одновременно с фотосинтезом в каждом растении идет обратный процесс — дыхание. Кроме того, растения погибают, утрачивают часть надземных и подземных органов, образуя мертвое органическое вещество детрит, которое разлагается (минерализуется). Дыхание и разложение органического вещества не уравновешивают полностью процесс фотосинтеза. В нормально развивающихся фитоценозах количество создаваемого органического вещества превышает ту его часть, которая разрушается, т.е. существует положительный баланс органического вещества. Схематично этот процесс можно представить следующим образом:

1) в зеленых растениях на дневном свету идет фотосинтез: в хлорофилловых зернах разлагается вода, водород используется на построение органических соединений, а кислород выделяется в атмосферу;

2) органические вещества животных и растений после смерти организмов разлагаются микробами до простейших соединений — СО₂, воды, аммиака и др.;

3) минеральные соединения, возникшие описанным путем, снова поглощаются растениями, животными, микробами и снова входят в состав сложных органических веществ.

Таким образом, одни и те же элементы многократно образуют органические соединения живых организмов и многократно переходят в минеральное состояние. Темпы биологического круговорота определяют важнейшие черты миграции химических элементов в ландшафтной оболочке и характер связей между атмосферой, гидросферой и литосферой. Значение биологического круговорота тем более велико, что он действует уже многие сотни миллионов лет.

Рис. 7.13. Принципиальная схема биологического круговорота (по Н.Ф.Реймерсу)

Трофические (пищевые) цепи. Неотъемлемой частью биологического круговорота является процесс питания. Часть вновь создаваемого органического вещества вовлекается в трофические (пищевые) цепи. Такие цепи состоят из последовательного ряда организмов, каждый из которых является источником пищи для последующего. Организмы, которые синтезируют необходимые им питательные вещества из простых неорганических соединений, называют автотрофными (самопитающимися), в пищевой цепи — продуцентами. Фотосинтезирующие автотрофы (зеленые растения, пурпурные бактерии) используют солнечную энергию, которая запасается в органическом веществе и затем расходуется всеми участниками трофической цепи. Хемосинтезирующие автотрофы (некоторые виды бактерий) получают энергию за счет окисления или разложения химических соединений (аммиака, сероводорода, пирита и др.).

Рис. 7.12. Круговорот основных веществ в биосфере (по Г.Хатчинсону)

Другой тип организмов — гетеротрофные, которые питаются готовыми органическими веществами. Гетеротрофы подразделяют на консументов и редуцентов. К консументам относят животных. По типу питания они делятся на растительноядных (питающихся растениями) и плотоядных (питающихся другими животными). Многие животные всеядны. Редуценты — грибы и некоторые бактерии — разлагают органические соединения на простейшие минеральные. Они как бы замыкают биологический круговорот веществ. Еще один тип гетеротрофного питания — паразитизм. Он распространен у некоторых видов животных и растений. Трофические цепи не изолированы одна от другой и, переплетаясь, они составляют пищевые сети. Принцип образования пищевых сетей состоит в том, что каждый продуцент имеет не одного, а несколько консументов. В свою очередь, консументы, среди которых преобладают полифаги, пользуются не одним, а несколькими источниками питания.

Главные потоки вещества и энергии трехступенной трофической цепи изображены на рис. 7.14.

Рис. 7.14. Потоки вещества и энергии, проходящие через три трофические ступени (по П.Дювиньо и М.Тангу): С — фотоактивная радиация, усваиваемая зеленым листом; П_в — валовая продуктивность растения; П_ч — чистая продуктивность; К — часть растений, съедаемая растительноядными; Н — непоедаемые остатки; Э — экскременты; А₂ — валовая продукция, усваиваемая растительноядными; А₃ — валовая продукция, усваиваемая хищниками; П₂ — чистая продукция на уровне растительноядных; П₃ — чистая продукция на уровне хищников; Д_ь Д₂, Д₃ — потери на дыхание на различных уровнях

Биогеохимические круговороты. Согласно Н.Ф. Реймерсу, под биогеохимическим круговоротом следует понимать часть биологического круговорота, составленную обменными циклами химических веществ, тесно связанных с жизнью — главным образом углерода, воды, азота, фосфора, серы и биогенных катионов.

Биогеохимические круговороты играют огромную роль в географической оболочке: в ходе их реализации биогенная аккумуляция минеральных соединений (превращение СО₂, Н₂О, NH₃, SO₃ и других соединений в сложные, богатые энергией органические вещества) сменяется минерализацией органических соединений с освобождением энергии. Двойное название эти противоположно направленные процессы созидания и разрушения органического вещества получили потому, что они сопряжены с круговоротами энергии и переносом минеральных веществ.

Распределение энергии не единственное явление, обусловленное пищевыми цепями. Некоторые вещества по мере продвижения по цепи не рассеиваются, а наоборот, накапливаются. Известно, что из более 90 химических элементов, встречающихся в природе, 30 — 40 необходимы живым организмам. Некоторые элементы, такие как углерод, водород и азот, требуются в больших количествах, другие в малых или даже минимальных. Какова бы ни была потребность в них, все элементы участвуют в биогеохимических круговоротах.

Каждый химический элемент, совершая круговорот в экосистеме, следует по своему особому пути, но все круговороты приводятся в движение энергией, и участвующие в них элементы попеременно переходят из органической формы в неорганическую и обратно.

В качестве примера приведем круговорот углерода.

Круговорот углерода — процесс освобождения и связывания диоксида углерода (СО₂), включая растворение в воде океанов, идущий практически по двум циклам — океаническому и континентальному, объединение между которыми происходит через атмосферный цикл СО₂. Баланс углерода в биосфере в настоящее время положителен в связи с антропогенными выбросами. Углерод участвует в цикле с небольшим, но весьма подвижным фондом в атмосфере (рис. 7.15). Благодаря буферной системе карбонатного цикла, круговорот приобретает устойчивость.

Углерод — основной химический элемент живой субстанции. Он образует устойчивые соединения, его атомы способны соединяться в цепочкообразные и круговидные молекулы сложного строения. Углерод поглощается из атмосферы или воды зелеными растениями в процессе фотосинтеза и выделяется растениями и животными при дыхании, а также при бактериальном разложении их остатков. Зеленые растения земного шара в течение 4 лет поглощают весь запас углерода в атмосфере и за 300 лет — весь углерод гидросферы. Круговорот углерода обратим не полностью. Часть его атомов в форме соединений — органических (каменный и бурый уголь, нефть, горючие газы, торф, сапропель) и неорганических (карбонат кальция и др.) — захороняется в осадках. Концентрация углерода в органических и неорганических породах значительно превышает его содержание в водах океанов, атмосфере и живом веществе. При извержениях вулканов и горообразовательных процессах захороненный углерод возвращается в географическую оболочку и снова вовлекается в биогеохимический круговорот.

Рис. 7.15. Круговорот углерода (по Т.А.Айзатуллину)

Данный пример показывает, что критическими моментами биогеохимических циклов являются захват (уровень продуцентов) и возврат (уровень редуцентов) веществ из физической среды. Эти моменты связаны с реакциями восстановления и окисления. Восстановление химических веществ осуществляется в итоге за счет энергии солнечного излучения. На каждом этапе переноса энергии происходит ее рассеивание, заканчивающееся на уровне редуцентов, которые окисляют элементы до состояния, в котором они уже могут быть захвачены продуцентами.

Таким образом, важнейшее свойство потоков в экосистемах — их цикличность. Вещества в экосистемах совершают практически полный круговорот, попадая сначала в организмы, затем в абиотическую среду и вновь возвращаясь в организмы, но часто в иных количествах и состояниях. Между круговоротами элементов существует тесная связь (рис. 7.16).

Особенностью биогеохимических круговоротов является то, что в них участвуют не только биогенные элементы, но и посторонние, в том числе многие загрязняющие вещества (поллютанты).

Рис. 7.16. Общая схема циркуляции углерода, водорода и кислорода

Некоторые из них не только циркулируют в окружающей среде, но и имеют тенденцию накапливаться в организмах. В таких случаях концентрация поллютанта, обнаруженного в организмах, нарастает по мере прохождения его вверх по пищевой цепи, так как организмы быстрее поглощают загрязняющее вещество, чем выделяют его.

Общие замечания о круговоротах.Круговороты в пространстве всегда трехмерны и их надо рассматривать по вертикали, горизонтали и во времени.

Все описанные круговороты не являются круговоротами в точном смысле этого слова. Они не вполне замкнуты, и конечная стадия круговорота вовсе не тождественна его начальной стадии. Разрыв между ними образует вектор направленного изменения — развитие. Растения, например, отдают почве больше веществ, чем получают от нее, так как их органическая масса создана в основном за счет углекислого газа атмосферы, а не за счет элементов, поступивших из почвы через корневую систему. Изверженную горную породу можно расплавить, но при этом не образуется исходная магма, так как материнская магма, кристаллизуясь и превращаясь в твердое тело, отдает многие летучие вещества в атмосферу и гидросферу. Вода, нагнетаемая пассатами в Карибское море, — это не та вода, которая ушла отсюда ранее с потоком Гольфстрима, хотя некоторые струи этого потока и совершили полный оборот по часовой стрелке вокруг Саргассова моря.

Процессы фотосинтеза, идущие с помощью молекул хлорофилла, вливают в организм поток энергии солнечных лучей вместе с веществами неживой природы, создавая материальную и энергетическую базы всей жизни на Земле и отдавая в окружающее пространство часть свободного кислорода. Процессы дыхания, осуществляемые с помощью молекул гемоглобина, освобождают энергию, связанную фотосинтезом, и возвращают в неживую природу часть связанного кислорода, углерода и водорода. По современным расчетам, свободный кислород образуется со скоростью 1,55×10⁹ т в год, а расходуется — 2,16×10¹⁰ т, т.е. расход больше чем на порядок превышает приход. При этом учитывается только фотосинтетический кислород, а глубинный кислород, «извергаемый» из недр при процессах дегазации, из расчетов исключен. Его количества должны быть весьма значительными, так как изотопный анализ кислорода воздуха показал, что большая его часть состоит из глубинного кислорода.

Круговороты охватывают все геосферы. Движение вещества в одной из систем географической оболочки носит подчас характер своеобразного «разделения труда». Так, кислородом дышат все аэробные организмы, а возвращением его в атмосферу занимаются только зеленые растения. В биогеоценозе продуценты (зеленые растения и ряд бактерий) создают органическое вещество из минерального, консументы питаются готовыми органическими веществами, а редуценты (главным образом бактерии и грибы) разрушают живое или мертвое органическое вещество и переводят его в минеральное.

По степени сложности круговороты весьма различны: одни из них сводятся преимущественно к механическим движениям (циркуляция атмосферы, морские течения), другие сопровождаются сменой агрегатного состояния вещества (круговорот воды), в третьих происходит его химическая трансформация (биологический круговорот).

Вещество, вступившее в круговорот, нередко испытывает перестройку в промежуточных звеньях, изменяя свое физическое или химическое состояние. Свободный кислород, поглощенный из воздуха растением при дыхании, связывается внутри него, и перестает быть свободным. В атмосферу растение выделяет свободный кислород иного происхождения, полученный в процессе фотосинтеза путем расщепления молекулы воды. Представление о преобразованиях вещества и энергии в промежуточных звеньях круговорота органически входят в понятие круговорота. Поэтому разделять представление о круговороте от представления о взаимообмене вещества и энергии не совсем правильно.

При анализе круговоротов веществ следует помнить об их естественной изменчивости, связанной с разным состоянием геосфер и ритмичностью (цикличностью) природных процессов и явлений. Порядки и ритмика различных сред и процессов могут быть синхронными и асинхронными, что обусловливает наложение (интерференцию) или ослабление (релаксацию) эффектов.