круговорот веществВещество, необходимое для жизни, может использоваться многократно. Эти процессы называются круговоротами веществ или биогеохимическими циклами. Энергия практически для любого круговорота поставляется от Солнца. Механизмы, обеспечивающие возвращение веществ в круговорот, основаны главным образом на биологических процессах.
В каждом круговороте удобно различать два фонда: резервный – большая масса медленно движущихся веществ, в основном в небиологической сфере; обменный – меньший, но более активный, для которого характерен быстрый обмен между организмами и окружением.
Резервный фонд хранится обычно в относительно рассеянном и подвижном виде, доступном большинству живых организмов, где бы они не находились. Наилучшим образом для этих целей подходит атмосфера и гидросфера, выполняющие роль своеобразных буферных зон, соединяющих между собой разные формы жизни. Менее подвижной буферной зоной является почва. Именно из буферных зон получают многие организмы питательные вещества, тщательно отбирая их из всего разнообразия веществ, присутствующих в резервном фонде. Продукты жизнедеятельности организмов также сбрасываются в буферные зоны, где они затем более или менее тщательно перемешиваются: то, что является “отходами” для одной формы жизни, может послужить пищей для другой формы жизни. В первую очередь это относится к растениям, которые не только получают все, что им нужно из атмосферы, почвы и воды (в случае водных растений), но и сбрасывают туда же тепло, влагу, продукты дыхания, отмершие листья и сучья и т.п. В меньшей мере с резервным фондом связаны животные, которые в основной своей массе не способны синтезировать биоорганику из рассеянных компонентов резервного фонда и существуют за счет обменного фонда, сосредоточенного главным образом в живом веществе.
Вследствие сказанного все биогеохимические циклы принято делить на два основных типа: круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере или гидросфере (океане) и осадочный цикл с резервным фондом в земной коре.
Часть вещества уходит из круговорота в захоронения (прежде всего в бескислородной среде), то есть, по словам Вернадского, "уходят в геологию" в виде угля, торфа, нефти, осадочных пород и т.п.
Мы рассмотрим только круговороты наиболее важных для жизни веществ.
Круговорот воды
Около трети поступающей на Землю энергии Солнца затрачивается на приведение в движение круговорота воды.
Море теряет из-за испарения воды больше, чем получает с осадками. На суше ситуация противоположная. То есть значительная часть осадков, поддерживающих экосистемы суши, приходит к нам с моря.
Однако немалый вклад в круговорот воды вносит и растительность данной конкретной местности, особенно в областях, находящихся в глубине континента, или же “экранированных” от моря грядой гор. Дело в том, что вода, поступающая в растения из почвы, почти полностью (97-99 %) испаряется через листья. Это называется транспирацией. Испарение охлаждает листья и способствует движению в растениях биогенных элементов. Одновременно это поддерживает локальные круговороты воды (вспомните грибные дожди), позволяющие растительному миру успешно существовать даже если “дожди с моря” достаточно редки.
В результате деятельности человека количество лесов на континентах катастрофически уменьшается. Правда, лес не обязательно теряет больше влаги в результате транспирации, чем травянистая растительность. Проблема в том, что леса способствуют удержанию влаги на данной территории. Для агроценозов, пришедших на смену лесам, характерно уплотнение и эрозия почв и увеличение стока воды. Это привело даже к тому, что в некоторых областях с достаточным количеством осадков возникли местные пустыни. Особенно велики потери для грунтовых вод в сильно урбанизированных районах, где велик процент водонепроницаемых покрытий. Все это нарушает локальные круговороты воды, приводя к засухам и одновременно к наводнениям в низовьях рек в периоды дожей, принесенных с моря.
Круговорот углерода
Углерод является одним из самых необходимых для жизни компонентов. В состав органического вещества он включается в процессе фотосинтеза (рис.14). Затем основная его масса поступает в пищевые цепи животных и накапливается в их телах в виде различного рода углеводов.
Главную роль в круговороте углерода играет атмосферный и гидросферный фонды углекислого газа СО2. Этот фонд пополняется при дыхании растений и животных, а также при разложении мертвой органики. Некоторая часть углерода ускользает из круговорота в захоронения. Однако человек в последнее время достаточно успешно разрабатывает эти захоронения, возвращая в круговорот жизни углерод и другие важные для жизни элементы, накопленные за миллионы лет. Хотя это приводит к ряду отрицательных для нас последствий, но как знать, может быть, именно эту миссию мы должны были выполнить для биосферы.
Например, известно, что увеличение содержания СО2 и понижение содержания О2 в атмосфере приводит к усилению фотосинтеза. Может быть, после того, как мы очистим планету от современных форм жизни (в том числе и от своего присутствия на ней), начнется бурный этап развития новых более совершенных форм, которые сейчас не могут выдержать конкуренции. Ведь была же когда-то эпоха анаэробной жизни на земле. “Неприятным” продуктом их жизнедеятельности был кислород, накопление которого практически погубило эту форму жизни. Теперь ее следы можно обнаружить лишь в недрах болот, да в глубоководных впадинах. Но зато было дано начало новым более совершенным аэробным организмам, которые научились “нейтрализовывать” кислород и даже использовать его химическую активность для получения свободной энергии.
Фотосинтезирующий зеленый пояс и карбонатная система моря поддерживают постоянный уровень СО2 в атмосфере. Но за последние 100 лет содержание СО2 постоянно растет из-за новых антропогенных поступлений и сведения лесов. Полагают, что в начале промышленной революции (1800 г) в атмосфере Земли присутствовало около 0.029 % СО2. В 1958 г., когда были проведены первые точные измерения, - 0.0315 %, в 1980 - 0.0335 %. Когда доиндустриальный уровень будет превышен вдвое (2050 г), ожидается повышение температуры в среднем на 1.5-4.5 градуса. Это связано в первую очередь с парниковым эффектом, к которому приводит повышенное содержание углекислого газа в атмосфере. Если в 20-м веке уровень моря поднялся на 12 см, то в 21-м веке нас может ожидать нарушение стабильности полярных ледяных шапок, что приведет к их таянию и катастрофическому подъему уровня мирового океана. По некоторым прогнозам в 2050 году под водой может оказаться Нью-Йорк и большая часть Западной Европы.
На фоне этого происходит потеря углекислоты из почвенного фонда, что вызвано окислением гумуса в почве после уничтожения лесов при последующем использовании этих земель для сельского хозяйства или строительства городов.
Круговорот азота
Азот входит в состав аминокислот, являющихся основным строительным материалом для белков. Хотя азот требуется в меньших количествах, чем, например, углерод, тем не менее дефицит азота отрицательно сказывается на продуктивности живых организмов.
Основным источником азота является атмосфера (рис.15), откуда в почву, а затем в растения азот попадает только в форме нитратов, которые являются результатом деятельности организмов-азотофиксаторов (отдельные виды бактерий, сине-зеленых водорослей и грибов), а также электрических разрядов (молний) и других физических процессов. Остальные соединения азота не усваиваются растениями.
Второй источник азота для растений - результат разложения органики, в частности, белков. При этом в начале образуется аммиак, который преобразуется бактериями-нитрификаторами в нитриты и нитраты.
Возвращение азота в атмосферу происходит в результате деятельности бактерий-денитрификаторов, разлагающих нитраты до свободного азота и кислорода.
Значительная часть азота, попадая в океан (в основном со сточными континентальными водами), частично используется водной растительностью, а затем по пищевым цепям через животных возвращается на сушу. Небольшая часть азота выпадает из круговорота, уходя в осадочные соединения. Однако эта потеря компенсируется поступлением азота в воздух с вулканическими газами, а также с индустриальными выбросами. Если бы наша цивилизация достигла такой технической мощи, что смогла бы блокировать все вулканы на Земле (я не сомневаюсь, что подобные проекты обязательно возникли бы), то при этом из-за прекращения поступлений углерода, азота и других веществ, от голода могло бы погибнуть больше людей, чем страдает сейчас от извержений вулканов.
Антропогенный азот поступает в природу в основном в форме азотных удобрений. Их количество примерно равно природной фиксации азота в атмосфере, но ниже биологической фиксации.
В природных экосистемах порядка 20 % азота - это новый азот, полученный из атмосферы путем азотофиксации. Остальные 80 % возвращаются в круговорот вследствие разложения органики. В агросистемах из азота, поступившего на поля с удобрениями, очень небольшая часть используется повторно, большая же часть теряется с собираемым урожаем, а также в результате выщелачивания (выноса водой) и денитрификации.
Лишь прокариоты, безъядерные, самые примитивные микроорганизмы могут превращать биологически бесполезный газообразный азот в формы, необходимые для построения и поддержания живой протоплазмы. Когда эти микроорганизмы образуют взаимовыгодные ассоциации с высшими растениями, фиксация азота значительно усиливается. Растения представляют бактериям подходящее местообитание (корневые клубеньки), защищают микробы от излишков кислорода и поставляют им необходимую высококачественную энергию. За это растение получает легкоусвояемый фиксированный азот. Мечта современных специалистов по генной инженерии - создать самоудобряющиеся сорта зерновых культур, которые имели бы на корнях клубеньки с азотофиксирующими бактериями, аналогичные клубенькам на корнях бобовых растений. Полагают, что это позволило бы совершить существенный прорыв в сельском хозяйстве. Однако как знать, не нарушит ли подобное увеличение природной фиксации свободного азота того хрупкого баланса притока и оттока азота в атмосфере, который обеспечивает стабильность концентрации азота в воздухе, которым мы дышим.
Круговорот фосфора
Фосфор является необходимым компонентом нуклеиновых кислот (РНК и ДНК), выполняющих в биосистемах функции, связанные с записью, хранением и чтением информации о строении организма. Фосфор - достаточно редкий элемент. Относительное количество фосфора, требуемое живым организмам, гораздо выше, чем относительное содержание его в тех источниках, откуда организмы черпают необходимые им элементы. То есть дефицит фосфора в большей степени ограничивает продуктивность в том или ином районе, чем дефицит любого другого вещества, за исключением воды.
Фосфор встречается лишь в немногих химических соединениях. Он циркулирует, переходя из органики в фосфаты, которые могут затем использоваться растениями (рис.16). Особенность круговорота фосфора в том, что в нем отсутствует газообразная фаза. То есть основным резервуаром фосфора является не атмосфера, а горные породы и другие отложения, образовавшиеся в прошлые эпохи. Породы эти подвергаются эрозии, высвобождая фосфаты в экосистемы. После неоднократного потребления его организмами суши и моря фосфор в конечном итоге выводится в донные осадки. Это грозит дефицитом фосфора. В прошлом морские птицы, по-видимому, возвращали фосфор в круговорот. Сейчас основным поставщиком фосфора является человек, вылавливая большое количество морской рыбы, а также перерабатывающий донные отложения в фосфаты. Однако добыча и переработка фосфатов создает серьезные проблемы с загрязнением окружающей среды.
Круговорот серы
Сера является элементом, необходимым для синтеза многих белков. Для биосистем требуется очень мало серы.
Круговорот серы осуществляется через воздух, воду и почву (рис.17). Сульфат SO4 аналогично нитрату и фосфату - основная доступная форма серы, которая восстанавливается растениями и включается в белки. Затем она проходит по пищевым цепям экосистем и возвращается в круговорот с экскрементами животных.
Основными источниками поступления соединений серы в биосферу являются производственная деятельность человека (сжигание угля и серосодержащих углеводородов), вулканы, разложение органики и распад серосодержащих руд и минералов.
“Кольцо” в центре схемы иллюстрирует процессы окисления (О) и восстановления (R), благодаря которым происходит обмен серы между фондом доступного сульфата и фондом сульфида железа, находящимся глубоко в почве и осадках.
осадочный цикл
Большинство важных для жизни элементов, таких как железо, кальций, калий, магний, марганец, медь, хлор и др., более привязано к земле, чем, например, азот или углерод (рис.18). Их круговороты входят в общий осадочный цикл, циркуляция в котором осуществляется путем эрозии, осадкообразования, горообразования, вулканизма и биологического переноса.
Чем меньше эрозия, тем меньший поток веществ потребуется извне. В периоды минимальной геологической активности накопление минеральных элементов питания происходит на низменностях и в глубинах океанов за счет возвышенных районов. Этому способствует, например, распашка земель, что обедняет почвы. Но избыток этих веществ в низовьях может привести к тому, что жизнь будет «задушена» потоками ила, грязи, токсичных веществ и т.п.
Круговорот второстепенных элементов
Второстепенные элементы, подобно жизненно важным, нередко мигрируют между организмами и средой, хотя и не представляют какой-либо ценности для организмов. Большинство из этих элементов участвуют в общем осадочном цикле. Обычно они оказывают малое воздействие на живые существа. Однако могут быть и неожиданные последствия, связанные в основном с деятельностью человека. Например, радиоактивный стронций-90, ранее в природе не существовавший, по химическим свойствам похож на кальций, поэтому, попав в организмы, он накапливается в костях и оказывается в тесном контакте с кроветворными тканями. Радиоактивный цезий-137 по свойствам схож с калием и поэтому быстро циркулирует по пищевым цепям.
Современная промышленность обогатила биосферу ртутью, соединениями кадмия, меди, цинка, свинца. Для жизни эти вещества токсичны.
Круговорот элементов в тропиках
В холодных районах большая часть органических веществ находится в почве или отложениях, в тропиках - в основном в биомассе, чему способствуют различные биологические адаптации, мутуалистические отношения (симбиоз) между микроорганизмами и растениями, удерживающие элементы питания. Здесь обеспечивается прямой круговорот от растения к растению. Если нарушить эту формировавшуюся тысячелетиями структуру, то восстановить ее уже невозможно.
Попытки использовать освобождающиеся после вырубок земли для выращивания сельскохозяйственных культур также безуспешны. Так, например, в северных лесах в почве и подстилке содержится более половины всего органического углерода, в тропическом лесу - менее одной четверти, основная масса углерода содержится в растительных тканях. Питательные вещества быстро утрачиваются из почвы. Поэтому стратегия земледелия умеренной зоны, основанная на монокультурах однолетних растений, совершенно непригодна для тропиков. Исключение составляют только некоторые древние технологии, такие как технология выращивания риса или сахарного тростника. Но таких примеров - единицы.
Загрязнение воздуха
Оксиды азота (N2O и NO2) и серы (SO2) в отличие от нитратов и сульфатов токсичны. Сжигание топлива увеличило содержание этих соединений сверх предельно допустимых концентраций (ПДК).
Особенно вредна двуокись серы. Она вредна для фотосинтеза. Она также реагирует с водяным паром и образует капли слабой серной кислоты, которая выпадает на землю кислотными дождями. Высокие трубы ТЭЦ уменьшили местное загрязнение воздуха, но ухудшилось общее положение, так как окислы дольше остаются в слое облаков и образуется больше кислоты.
Окислы азота раздражают дыхательные органы высших животных. Химические реакции с другими загрязнителями обусловливают синергетический эффект (общее воздействие продуктов реакции больше суммарного воздействия каждого из реагирующих веществ). Так под действием ультрафиолетового излучения Солнца NO2 вступает в реакцию с продуктами неполного сгорания углеводородов, в результате возникает фотохимический смог.
Пути возврата элементов в круговорот
Можно выделить несколько путей возврата элементов в круговорот:
1) через микробное разложение;
2) через экскременты животных;
3) прямой передачей от растения к растению в симбиозе;
4) физическими процессами (молния, ионизация и т.п.);
5) за счет энергии топлива (например, при промышленной фиксации азота);
6) автолиз (саморастворение) - высвобождение питательных веществ из остатков растений и экскрементов без участия микроорганизмов.
Если не разрушать природные механизмы рециркуляции и не отравлять их, то они в основном самопроизвольно реализуют возврат в круговорот воды и элементов питания. К сожалению, человек так ускоряет движение многих веществ, что круговороты становятся несовершенными или процесс теряет цикличность: в одних местах возникает недостаток, а в других - избыток каких-то веществ. Кроме того, человек изымает из круговорота многие элементы, связывая их в таких веществах, для которых в природе отсутствуют деструкторы, поэтому он вынужден сам быть деструктором этих веществ. Поэтому одной из основных целей общества должно стать возвращение вещества в круговорот.
|
