Круговорот вещества в биосфере и баланс энергии

Все живое вещество на планете активно участвует в больших и малых круговоротах в биосфере. В биосфере все атомы участвуют в биологических круговоротах, в ходе которых они поглощаются живым веществом и заряжаются энергией, затем покидают живое вещество, отдавая накопленную энергию во внешнюю среду. В биосфере Земли происходит постоянный процесс движения и перераспределения вещества. Главные химические элементы литосферы – кислород, кремний, алюминий, железо, магний, натрий, калий – участвуют в большом круговороте, который проходит различные стадии развития от глубинных частей верхней мантии до поверхности самой литосферы (рисунок 30).

Все планетарные процессы на Земле тесно переплетены, образуя общий глобальный круговорот вещества, перераспределяющий энергию, поступающую от Солнца. Он осуществляется через систему мелких, локальных круговоротов. К этим циклам подключаются тектонические процессы, обусловленные вулканической деятельностью и движением плит в земной коре. В результате на Земле поддерживается большой геологический круговорот вещества. Большой геологический круговорот вовлекает осадочные породы вглубь земной коры, надолго выключая содержащиеся в них элементы из системы биологического круговорота. В ходе геологической истории метаморфизированные осадочные породы, вновь оказавшись на поверхности Земли, постепенно разрушаются живыми организмами и снова включаются в биосферный круговорот.

Рисунок 30 - Потоки вещества и энергии в биосфере

Химические элементы тоже совершают круговорот. Для каждого элемента характерна своя скорость миграции в малых и больших циклах. Весь атмосферный кислород проходит через живое вещество за 2 тысячи лет, углекислый газ – за 300 лет. Локальные круговороты совершаются значительно быстрее. Рассмотрим основные черты круговорота наиболее типичных химических элементов в биосфере.

1. Углерод. В атмосфере он представлен в основном углекислым газом. Углекислый газ образуется при вулканической деятельности, дыхании животных и растений, разложении организмов, сжигании органических веществ в процессе деятельности человека. Углекислый газ атмосферы поглощается растениями в процессе фотосинтеза.

2. Кислород производится растениями и потребляется животными и растениями при дыхании. Кислород легко вступает в химические реакции, поэтому его круговорот весьма сложен. Кислород выделяется при вулканической деятельности. Он также образуется из озона в верхних слоях атмосферы под действием ультрафиолетового излучения Солнца.

3. Азот. Круговорот азота в биосфере носит своеобразный и замедленный характер. Фиксация азота в живом веществе осуществляется только некоторыми микроорганизмами почвы и поверхности океана. Растения и животные после своей гибели возвращают азот в почву, откуда он включается в состав новых поколений растений и животных, а некоторая часть поступает в атмосферу.

Одним из грандиозных процессов на поверхности земного шара является круговорот воды. Источником энергии для него служит Солнце. В биосфере вода, непрерывно переходя из одного состояния в другое, совершает малый и большой круговороты. Испарение воды с поверхности океанов, морей и т. д., конденсация водяного пара в атмосфере и выпадение осадков на поверхность океана образуют малый круговорот. Когда водяной пар переносится воздушными течениями на сушу, круговорот становится сложнее. Часть осадков испаряется и поступает в атмосферу, другая - питает реки и водоемы, но в итоге вновь возвращается в океан речными и подземными стоками, завершая тем самым большой круговорот.

Важное свойство круговорота воды заключается в том, что он, взаимодействуя с литосферой, атмосферой и живым веществом связывает воедино все части гидросферы: океан, реки, почвенную влагу, подземные воды, атмосферную влагу. Вода – важный компонент всего живого. Круговорот воды - главный агент механической работы в биосфере, тогда как биологический круговорот обусловлен в основном химическими процессами, которые сопровождаются превращениями химической энергии. Однако работа, которая совершается на Земле водами – выветривание, растворение и т. п. – происходит или при участии живых организмов, или за счет продуктов их жизнедеятельности. Перемещение воды осуществляет в биосфере процессы эрозии, транспорта, перераспределения, осаждения или накопления механических и химических осадков на суше и в океане.

В энергетических процессах в биосфере главная роль принадлежит солнечной радиации. Источник излучения Солнца – термоядерные реакции. Солнечная энергия нагревает Землю и фиксируется в различных формах. Земля потребляет лишь примерно 5´10^-10 часть от общей излучаемой Солнцем энергии. Из нее 26 % отражается облаками в пространство, 21 % рассеивается облаками в почву, 22 % поглощается в атмосфере, 24 % поглощается почвой, 7 % отражается в пространство воздухом и почвой. Итого почвой поглощается 45 % энергии, отражается в пространство 33 % энергии.

Благодаря солнечной энергии растения вырабатывают все органические вещества, в которых они нуждаются для получения химической, механической, осмотической и других видов энергии, необходимых для их роста, воспроизводства и функциональных взаимоотношений. Животные используют органические вещества, продуцируемые растениями.

Часть солнечной энергии, нагревая воду океанов, морей, рек и т.п. и образуя облака, превращается в тепловую энергию. Нагрев Мирового океана происходит сверху, с чем связано установление довольно стабильных условий. В атмосфере нагревание происходит снизу, что приводит к образованию мощных конвекционных потоков и общей циркуляции воздушных масс. Океанические течения, движимые в основном ветром, перераспределяют полученное солнечное тепло в горизонтальном направлении. Мировой океан и атмосфера представляют собой единую тепловую систему. За счет излучения и конвекции поддерживается весь энергетический баланс нашей планеты. Солнечная энергия, таким образом, вызывает планетарные перемещения воздушных масс в результате их неравномерного нагревания.

Часть солнечной энергии (около 0,1 %) в ходе процесса фотосинтеза превращается в химическую энергию сложных соединений. Организмы превращают химическую энергию, полученную автотрофами, в другие формы химической энергии (например, АТФ), в механическую энергию движений и сокращений, в электрическую энергию; часть ее рассеивается в виде тепла. Как и неодушевленный мир, мир живой содействует “убыли” энергии, но в отличие от неживого мира, здесь возникают новые и высшие формы энергии (нервная, психическая). Потребляя энергию из внешней среды, организмы создают скрытые склады энергии в виде соединений с энтропией, меньшей, чем энтропия первоначального сырья.

В круговороте энергии выделяется антропогенный этап. Он характеризуется использованием всех естественных источников энергии в тепловых устройствах. Наряду с формами энергии, использующимися живыми организмами, человек использовал энергию высоких температур, электромагнитную энергию различных диапазонов, ядерную энергию и т.д. Энергия, используемая цивилизованным человеческим обществом, во много раз превышает биологическую энергию совокупности организмов, составляющих это общество. Значительная часть энергетических ресурсов, используемых людьми в технике, имеет биогенное происхождение (каменный уголь, нефть, газ и т.д.).

Круговорот вещества и энергии в природе складывается из нескольких взаимосвязанных процессов:

1. Регулярно повторяющийся или непрерывный приток энергии, а также образование (синтез) новых соединений.

2. Постоянный или периодический перенос и перераспределение энергии, вынос и направленное перемещение синтезированных соединений под влиянием физических, химических, биологических агентов.

3. Направленное ритмическое или периодическое преобразование, разложение и деструкция синтезированных ранее соединений под влиянием биогенных (например, бактерии) или абиогенных (например, ультрафиолетовый свет) воздействий среды.

4. Постоянное или периодическое образование минеральных и органо–минеральных компонентов в газообразном, жидком или твердом состоянии, которые играют роль составных компонентов для новых (очередных) синтетических циклов круговорота веществ.

Как показывают исследования, за последние 600 млн лет характер основных круговоротов существенно не менялся. Происходили следующие процессы: 1 – накопление кислорода; 2 – связывание азота; 3 – осаждение кальция; 4 – образование кремнистых сланцев; 5 – отложение железных и марганцевых руд; 6 – накопление фосфора и др. Менялись лишь скорости этих процессов.

В условиях развитой биосферы круговорот веществ направляется совместным действием биологических, геохимических и геофизических факторов. Установившиеся биогеохимические циклы носят почти круговой характер, благодаря этому поддерживается динамическое равновесие организмов и окружающей среды.

Стабильное состояние биосферы обусловлено в первую очередь деятельностью самого живого вещества, обеспечивающей определенную скорость фиксации солнечной энергии и биогенной миграции атомов.

Таким образом, жизнь на Земле сама стабилизирует условия своего существования, что дает ей возможность существовать и развиваться бесконечно долго. Однако эта стабильность имеет определенные пределы и нарушение регуляторных возможностей чревато серьезными последствиями.