Круговорот веществ в природе

Основных круговоротов веществ в природе два: большой (геоло­гический) и малый (биогеохимический).

Большой круговорот веществ в природе (геологический). Геологиче­ский круговорот обусловлен взаимодействием солнечной энергии с глубинной энергией Земли и осуществляет перераспределение ве­щества между биосферой и более глубокими горизонтами Земли.

Осадочные горные породы, образованные за счет выветривания магматических пород, в подвижных зонах земной коры вновь погружаются в зону высоких температур и давлений. Там они переплавляются и образуют магму – источник новых магматических пород. По-мере поднятия этих пород на земную поверхность и действия процес­сов выветривания вновь происходит трансформация их в новые осадочные породы (рис. 4.3). Символом круговорота веществ являет­ся спираль, а не круг. Это означает, что новый цикл круговорота не по­вторяет в точности старый, а вносит что-то новое, что со временем приводит к весьма значительным изменениям.

Большой круговорот – это и круговорот водымежду сушей и океа­ном через атмосферу. Влага, испарившаяся с поверхности Мирового океана (на что затрачивается почти половина поступающей к поверхности Земли солнечной энергии), переносится на сушу, где выпадает в виде осадков, которые вновь возвращаются в океан в виде поверх­ностного и подземного стока. Круговорот воды происходит и по бо­лее простой схеме: испарение влаги с поверхности океана – конденсация водяного пара – выпадение осадков на эту же водную поверх­ность океана.

Подсчитано, что в круговороте воды на Земле ежегодно участвует более 500 тыс. км³ воды.

Круговорот воды в целом играет основную роль в формировании природных условий на нашей планете. С учетом транспирации воды растениями и поглощения ее в биогеохимическом цикле, весь запас воды на Земле распадается и восстанавливается за два миллиона лет (см. Приложение 5, рис. П.5.3).

Малый круговорот веществ в биосфере(биогеохимический).Вотли­чие от большого круговорота, малый совершается лишь в пределах биосферы. Сущность его – в образовании живого вещества из неор­ганических соединений в процессе фотосинтеза и в превращении ор­ганического вещества при разложении вновь в неорганические со­единения.

Этот круговорот для жизни биосферы – главный, и он сам являет­ся порождением жизни. Изменяясь, рождаясь и умирая, живое веще­ство поддерживает жизнь на нашей планете, обеспечивая биогеохи­мический круговорот веществ.

Главным источником энергии круговорота является солнечная радиация, которая порождает фотосинтез. Эта энергия довольно неравномерно распределяется по поверхности земного шара. На­пример, на экваторе количество тепла, приходящееся на единицу площади, в три раза больше, чем на архипелаге Шпицберген (80° с. ш.). Кроме того, она теряется путем отражения, поглощается поч­вой, на транспирацию воды и т. д. (Рис. 4.4), а, как уже отмечалось, на фотосинтез тратится не более 5% от всей энергии, но чаще всего 2-3%.

В ряде экосистем перенос вещества и энергии осуществляется преимущественно посредством трофических цепей.

Такой круговорот обычно называют биологическим(см. рис. 4.1). Он предполагает замкнутый цикл веществ, многократно используе­мый трофической цепью. Безусловно, он может иметь место в вод­ных экосистемах, особенно в планктоне с его интенсивным метабо­лизмом, но не в наземных экосистемах, за исключением дождевых тропических лесов, где может быть обеспечена передача питатель­ных веществ «от растения к растению», корни которых на поверхно­сти почвы.

Однако в масштабах всей биосферы такой круговорот невозмо­жен. Здесь действует биогеохимический круговорот, представляю­щий собой обмен макро- и микроэлементов и простых неорганиче­ских веществ (СО₂, Н₂О) с веществом атмосферы, гидросферы и ли­тосферы. Круговорот отдельных веществ В. И. Вернадский назвал биогеохимическими циклами.Суть цикла в следующем: химически элементы, поглощенные организмом, впоследствии его покидают уходя в абиотическую среду, затем, через какое-то время, снова попадают в живой организм и т. д. Такие элементы называют биофилъными*.Этими циклами и круговоротом в целом обеспечиваются важней­шие функции живого вещества в биосфере. В. И. Вернадский выделяет пять таких функций:

– первая функция – газовая –основные газы атмосферы Земли азот и кислород, биогенного происхождения, как и все подземные га­зы – продукт разложения отмершей органики;

– вторая функция – концентрационная – организмы накаплива­ют в своих телах многие химические элементы, среди которых на пер­вом месте стоит углерод, среди металлов первый кальций, концентра­торами кремния являются диатомовые водоросли, йода – водоросли (ламинария), фосфора – скелеты позвоночных животных;

– третья функция – окислительно-восстановительная –орга­низмы, обитающие в водоемах, регулируют кислородный режим и создают условия для растворения или же осаждения ряда металлов (V, Mn, Fe) и неметаллов (S) с переменной валентностью;

– четвертая функция – биохимическая – размножение, рост и перемещение в пространстве («расползание») живого вещества;

– пятая функция – биогеохимическая деятельность человека охватывает все разрастающееся количество вещества земной коры, в том числе таких концентраторов углерода, как уголь, нефть, газ и др., для хозяйственных и бытовых нужд человека.

В биогеохимических круговоротах следует различать две части, или как бы два среза:

1) резервный фонд –это огромная масса движу­щихся веществ, не связанных с организмами,

2) обменный фонд – зна­чительно меньший, но весьма активный, обусловленный прямым об­меном биогенным веществом между организмами и их непосредст­венным окружением. Если же рассматривать биосферу в целом, то в ней можно выделить: 1) круговорот газообразных веществ с резерв­ным фондом в атмосфере и гидросфере (океан) и 2) осадочный цикл с резервным фондом в земной коре (в геологическом круговороте).

В связи с этим, следует отметить, лишь один-единственный на Земле процесс, который не тратит, а, наоборот, связывает, солнечную энергию и даже накапливает ее – это создание органического вещества в результате фотосинтеза. В связывании и запасании солнечно энергии и заключается основная планетарная функция живого веществ на Земле. Биогеохимические циклы наиболее важных для жизни организмов веществ на Земле приведены в Приложении 5, П.3.