Круговорот веществ в биосфере

 Смысл круговорота живого вещества

За время су­ще­ство­ва­ния Земли сме­ни­лись мил­ли­ар­ды по­ко­ле­ний живых ор­га­низ­мов. Все они су­ще­ство­ва­ли за счет ис­поль­зо­ва­ния ор­га­ни­че­ских и неор­га­ни­че­ских ве­ществ и энер­гии.

Необ­хо­ди­мые живым су­ще­ствам ре­сур­сы не ис­чер­пы­ва­ют­ся и жизнь на Земле про­дол­жа­ет­ся, по­сколь­ку су­ще­ству­ет кру­го­во­рот ве­ществ, т. е. цик­ли­че­ский пе­ре­ход ве­ще­ства и энер­гии между раз­ны­ми ор­га­низ­ма­ми. Бла­го­да­ря ему ве­ще­ство не скап­ли­ва­ет­ся ло­каль­но, а по­сто­ян­но воз­об­нов­ля­ет­ся.

Ниже мы рас­смот­рим кру­го­во­рот воды, циклы уг­ле­ро­да и азота.

 Роль воды в круговороте живого вещества

Вода нужна всем живым су­ще­ствам.

Вода – самое рас­про­стра­нён­ное ве­ще­ство в био­сфе­ре. Ос­нов­ные ее за­па­сы (около 95%) со­сре­до­то­че­ны в морях и оке­а­нах. Прес­ная вода со­сре­до­то­че­на в лед­ни­ках и веч­ных сне­гах, а также в под­зем­ных водах. Незна­чи­тель­ная часть прес­ных вод на­хо­дит­ся в озе­рах, реках, бо­ло­тах и ат­мо­сфе­ре.

Живые ор­га­низ­мы по­треб­ля­ют воду, ис­поль­зу­ют её в про­цес­се жиз­не­де­я­тель­но­сти и от­да­ют в виде жид­ких вы­де­ле­ний или пара (вспом­ни­те, как по­те­ет хо­лод­ное стек­ло, если на него ды­шать).

Ис­па­ре­ния вы­хо­дят в ат­мо­сфе­ру, а жид­кая вода сте­ка­ет и скап­ли­ва­ет­ся в круп­ней­ших вод­ных бас­сей­нах (озе­рах, реках, морях, оке­а­нах). Под дей­стви­ем сол­неч­ной ра­ди­а­ции вода ис­па­ря­ет­ся в ат­мо­сфе­ру, этот пар (об­ла­ка) пе­ре­но­сит­ся на боль­шие рас­сто­я­ния, и вы­па­да­ет в виде осад­ков, ста­но­вясь опять до­ступ­ной для живых су­ществ водой (рис. 1).

Рис. 1. Кру­го­во­рот воды в при­ро­де. Важ­ны­ми участ­ни­ка­ми кру­го­во­ро­та воды яв­ля­ют­ся живые ор­га­низ­мы. Рас­те­ния раз­ла­га­ют воду в про­цес­се фо­то­син­те­за и вы­де­ля­ют при этом кис­ло­род.

 Роль углерода в круговороте живого вещества

Уг­ле­род яв­ля­ет­ся ос­но­вой всех ор­га­ни­че­ских ве­ществ. Ав­то­троф­ные ор­га­низ­мы син­те­зи­ру­ют ор­га­ни­че­ские ве­ще­ства, ис­поль­зуя в про­цес­се фо­то­син­те­за или хе­мо­син­те­за уг­ле­кис­лый газ ат­мо­сфе­ры (рис. 2).

Рис. 2. Про­цесс фо­то­син­те­за про­ис­хо­дит в ор­га­низ­ме рас­те­ний (слева) в хло­ро­пла­стах (спра­ва). При этом фо­то­син­тез осу­ществ­ля­ет­ся в две фазы: све­то­вую (раз­ло­же­ние воды) и тем­но­вую (син­тез глю­ко­зы из СО₂).

Ге­те­ро­троф­ные ор­га­низ­мы упо­треб­ля­ют ав­то­тро­фов в пищу, ис­поль­зуя го­то­вые ор­га­ни­че­ские ве­ще­ства. В про­цес­се ды­ха­ния уг­ле­род­ные со­еди­не­ния окис­ля­ют­ся и уг­ле­род вы­де­ля­ет­ся ге­те­ро­тро­фа­ми в ат­мо­сфе­ру в виде уг­ле­кис­ло­го газа (СО₂), до­ступ­но­го для ав­то­тро­фов.

В неко­то­рых слу­ча­ях остан­ки живых ор­га­низ­мов могут скап­ли­вать­ся и фор­ми­ро­вать от­ло­же­ния торфа, ка­мен­но­го угля, слан­цев или нефти. При этом уг­ле­род кон­сер­ви­ру­ет­ся.

Азот – необ­хо­ди­мый эле­мент бел­ков и азо­ти­стых ос­но­ва­ний. За­па­сы азота в виде про­сто­го ве­ще­ства N₂ со­сре­до­то­че­ны в ат­мо­сфе­ре. Пре­об­ра­зо­вать ат­мо­сфер­ный азот в до­ступ­ную для живых ор­га­низ­мов ам­мо­ний­ную форму могут лишь немно­го­чис­лен­ные виды бак­те­рий-азот­фик­са­то­ров (рис. 3).

Рис. 3. Бак­те­ри­о­ри­за – ре­зуль­тат сим­би­о­за бак­те­рий-азот­фик­са­то­ров с кор­ня­ми рас­те­ний из се­мей­ства Бо­бо­вых. Бла­го­да­ря азот­фик­са­то­рам хи­ми­че­ски неак­тив­ный ат­мо­сфер­ный азот воз­вра­ща­ет­ся в гру­го­во­рот ве­ще­ства и энер­гии в био­сфе­ре.

 Роль азота в круговороте живого вещества

Жи­вот­ные, рас­те­ния и грибы не спо­соб­ны усва­и­вать ат­мо­сфер­ный азот. Они вы­нуж­де­ны по­треб­лять азот, свя­зан­ный азот­фик­си­ру­ю­щи­ми бак­те­ри­я­ми. Непо­сред­ствен­но по­треб­лять азот­фик­си­ру­ю­щие мик­ро­бы могут лишь неко­то­рые мик­ро­ор­га­низ­мы, про­стей­шие или рас­те­ния. На­при­мер, бо­бо­вые рас­те­ния ис­поль­зу­ют белок клу­бень­ко­вых азот­фик­си­ру­ю­щих бак­те­рий. Дру­гие живые су­ще­ства по­лу­ча­ют азот по пи­ще­вой це­поч­ке.

После ги­бе­ли жи­во­го су­ще­ства ор­га­ни­че­ский азот может окис­лять­ся в нит­ра­ты в про­цес­се нит­ри­фи­ка­ции или опять вы­де­лять­ся в ат­мо­сфе­ру в виде N₂.

Такой азот (в виде рас­тво­ри­мых нит­ра­тов) очень по­дви­жен в почве и легко усва­и­ва­ет­ся рас­те­ни­я­ми. Скоп­ле­ние нит­ра­тов – это ме­сто­рож­де­ния се­лит­ры. Се­лит­ра – важ­ное удоб­ре­ние в со­вре­мен­ном рас­те­ние­вод­стве.

Весь до­ступ­ный азот обыч­но на­хо­дит­ся внут­ри живых ве­ществ. Нит­ра­ты могут снова вос­ста­нав­ли­вать­ся в про­цесс де­нит­ри­фи­ка­ции.

Этот про­цесс идет до конца с об­ра­зо­ва­ни­ем мо­ле­ку­ляр­но­го азота, ко­то­рый вы­де­ля­ет­ся об­рат­но в ат­мо­сфе­ру. Ана­ло­гич­но про­те­ка­ют циклы и дру­гих био­филь­ных эле­мен­тов: фос­фо­ра, калия, каль­ция и т. д.

Ос­но­вой лю­бо­го цикла яв­ля­ет­ся, то что ор­га­низ­мы по­треб­ля­ют и вы­де­ля­ют раз­ные формы од­но­го и того же эле­мен­та. Таким об­ра­зом, эле­мент внут­ри био­сфе­ры обыч­но не может вы­пасть из кру­го­во­ро­та.

По­те­ри воды в за­суш­ли­вых зонах

Су­ще­ству­ет ряд арид­ных, или за­суш­ли­вых, ре­ги­о­нов, где вода яв­ля­ет­ся де­фи­цит­ным ре­сур­сом.

По­те­ря воды в таких ре­ги­о­нах про­ис­хо­дят не путем ис­па­ре­ния влаги из почвы (вре­мен­ная лик­ви­да­ция рас­ти­тель­но­го по­кро­ва на полях), а из-за ис­па­ре­ния влаги с по­верх­но­сти ли­стьев – транс­пи­ра­ции.

На­ру­ше­ния цикла уг­ле­ро­да из-за вме­ша­тель­ства че­ло­ве­ка

Обыч­но за­ле­жи уг­ле­ро­да, в виде угля, нефти, слан­цев или кар­бо­на­тов во­вле­ка­ют­ся в кру­го­во­рот уг­ле­во­да по­сте­пен­но. За по­след­ние 100 лет че­ло­век из­влек на по­верх­ность и сжег огром­ное ко­ли­че­ство уг­ле­род­но­го топ­ли­ва. В ре­зуль­та­те ко­ли­че­ство уг­ле­кис­ло­го газа в ат­мо­сфе­ре уве­ли­чи­лось почти на треть. Депо уг­ле­ро­да сей­час пе­ре­ме­ща­ет­ся из-под земли в воз­дух (рис. 4).

Рис. 4. Вы­бро­сы про­дук­тов пе­ре­ра­бот­ки нефти и газа в ат­мо­сфе­ру 

По­те­ри азота в био­сфе­ре

По­ступ­ле­ние азота в ор­га­низ­мы свя­за­но с вы­со­ко­за­трат­ным про­цес­сом – азот­фик­са­ци­ей. За­фик­си­ро­ван­ный азот долго цир­ку­ли­ру­ет внут­ри био­сфе­ры. Од­на­ко он по­сте­пен­но те­ря­ет­ся в про­цес­се де­нит­ри­фи­ка­ции – это ос­нов­ная при­чи­на по­те­ри азота био­сфе­рой.

По­это­му в сель­ском хо­зяй­стве ис­поль­зу­ют азот­ные удоб­ре­ния.