Биогеохимические циклы

Круговорот веществ в масштабах всей биосферы называют большим кругом, а в пределах конкретного биогеоценоза – малым кругом биотического обмена. Часть биологического круговорота, состоящая из круговоротов углерода, воды, азота, фосфора, серы и других биогенных веществ, называют биогеохимическим циклами.

Круговороты веществ от продуцентов к консументам различных уровней, затем к редуцентам, а от них вновь к продуцентам замкнуты не полностью. Если бы в экосистемах существовала их полная замкнутость, то не возникало бы никаких изменений среды жизни, не было бы почвы, известняков и прочих горных пород биогенного происхождения. Таким образом, биотический круговорот можно условно изобразить в виде незамкнутого кольца.

Потери вещества из-за незамкнутости круговорота минимальны в биосфере (самой крупной экосистеме планеты).

Продуценты, консументы, детритофаги и редуценты экосистемы, поглощая и выделяя различные вещества, взаимодействуют между собой четко и согласованно. Органические вещества и кислород, образуемые фотосинтезирующими растениями, – важнейшие продукты питания и дыхания консументов. В то же время выделяемые консументами диоксид углерода и минеральные вещества навоза и мочи являются биогенами, столь необходимыми продуцентам. Поэтому вещества в экосистемах совершают практически полный круговорот, попадая сначала в живые организмы, затем в абиотическую среду и вновь возвращаясь в живое.

Вот один из основных принципов функционирования экосистем:получение ресурсов и переработка отходов происходят в процессе круговорота всех элементов. К числу наиболее важных и распространенных биогенных элементов относятся кислород, углерод, азот и фосфор.

8. Круговорот углерода

В ходе фотосинтеза атомы углерода переходят из состава углекислого газа CO₂ в состав глюкозы и других органических веществ растительных клеток. Далее они переносятся по пищевым цепям, образуя ткани всех остальных живых существ экосистемы. Однако побывать в составе клеток живых организмов всех трофических уровней удается только малому числу атомов углерода, так как на каждом уровне большинство органических молекул расщепляется в процессе клеточного дыхания для получения энергии. После этого атомы углерода поступают в абиотическую часть окружающей среды в составе углекислого газа, чем завершается один цикл и создаются предпосылки начала другого цикла. Вывод части углерода из естественного круговорота экосистемы и «резервирование» в виде ископаемых запасов органического вещества в недрах Земли является важной особенностью рассматриваемого процесса.

В водных экосистемах прерывание круговорота углерода связано с включением CO₂ в состав известняков, мела, кораллов в виде CaCO₃. При этом углерод исключается из круговорота на целые геологические эпохи.

9. Круговорот фосфора

Из всех макроэлементов (элементов, необходимых для всего живого в больших количествах) фосфор – один из самых редких в доступных резервуарах на поверхности Земли. В природе он содержится в различных природных минералах в виде неорганического фосфат-иона. Фосфаты растворимы в воде, но не летучи. Из водного раствора фосфат поглощается растениями и включается в состав их органических соединений, выступая в дальнейшем в форме «органического фосфата».

По пищевым цепям фосфор последовательно переходит от растений к организмам всех трофических уровней, и аналогично углероду в каждом из организмов велика вероятность окисления при клеточном дыхании фосфорсодержащего соединения с целью получения необходимой для жизнедеятельности энергии. Если это происходит, то фосфат в составе мочи или ее аналога выводится из организма в окружающую среду, где может снова быть поглощен растениями и вновь запущен в круговорот.

Абсолютное большинство фосфатов образует донные отложения, и круговорот вступает в свою самую замедленную фазу. Лишь геологические процессы, протекающие миллионы лет, реально могут поднять океанические отложения фосфатов, после чего возможно повторное включение фосфора в описанный круговорот.

Круговорот азота

Абсолютному большинству организмов азот доступен только в составе ионов аммония или нитрата. В природных условиях переход азота из газообразного N₂ в фиксированную форму (ионы аммония или нитрата) возможен следующим образом:

при разрядах атмосферного электричества во время грозы из азота и кислорода воздуха синтезируются оксиды азота;

при отмирании особых азотфиксирующих микроорганизмов;

путем фиксации азота клубеньковыми бактериями;

в водной среде и на очень влажной почве азотфиксация происходит благодаряцианобактериям.

Все естественные экосистемы полностью зависят от азотфиксирующих микроорганизмов.

Возврат азота в атмосферу (минерализация) есть результат деятельности бактерий-денитрификаторов, разлагающих нитраты до свободных азота и кислорода.

Для поддержания интенсивности круговорота азота при современном земледелии (так же, как круговорота фосфора и прочих биогенов) возникающий недостаток азота в почве искусственно компенсируется внесением синтетических минеральных удобрений. Для удобрения полей естественным путем в сельском хозяйстве успешно используют азотфиксацию бобовыми растениями.