книги / Основы экологии

элементов —водорода, углерода, азота, кислорода, каль­ ция, магния, натрия, калия, фосфора и многих других, включая тяжелые металлы. Отмирание живого вещества (естественная смерть или случайная гибель), особенно массовое, приводит к аномально высокому содержанию большинства этих элементов в почве и литосфере вплоть до образования горных пород однородного химического состава —торфа, углей, известняков, сапропелей, мела, железных руд осадочного происхождения и многих других.

Вследствие выполнения окислительно-восстанови­ тельных функций осуществляются химические превра­ щения веществ, содержащих атомы с переменной вален­ тностью (соединения железа, марганца и т.д.). Окисли­ тельная функция выражается в окислении с участием бактерий и, возможно, грибов всех бедных кислородом соединений в почве, коре выветривания и гидросфере. Например, так образуются болотные железные руды, бурые железистые конкреции, ожелезненные горизонты. Восстановительная функция противоположна по свой сути окислительной. Благодаря ей в результате деятельности анаэробных бактерий в нижней трети профиля заболо­ ченных почв, практически лишенного кислорода, обра­ зуются оксидные формы железа.

Таблица 4.1. Состав атмосферы и температурные условия на планетах Марс, Венера и Земля и гипотетической Земле без

жизни

Биохимические функции связаны с жизнедеятель­ ностью живых организмов — их питанием, дыханием, размножением, смертью и последующим разрушением тел. В результате происходит химическое превращение живого вещества сначала в биокосное, а затем, после умирания, в косное. Следует различать разрушение тел организмов после их смерти, идущее повсеместно и вызы­ ваемое микробами, грибами и некоторыми насекомыми, и разрушение, связанное с массовым захоронением расти­ тельных и животных остатков после их смерти или гибе­ ли. В последнем случае совместное или последователь­ ное выполнение живым веществом концентрационных и биохимических функций приводит к геохимическому преобразованию литосферы.

Биогеохимические функции, связанные с деятель­ ностью человека, обеспечили большие изменения хими­ ческих и биохимических процессов в биосфере, способ­ ствуют становлению ее нового эволюционного состояния — ноосферы. Уже сегодня местное (локальное) и планетар­ ное загрязнение в результате развития теплоэнергетики, промышленности, транспорта и сельского хозяйства мо­ жет привести к необратимым последствиям в биосфере, так как человек интенсивнее, чем другие организмы, изменяет физические условия среды.

Кроме указанных, к функциям живого вещества в биосфере следует отнести также водную, которая связана с биогенным круговоротом воды, имеющим важное зна­ чение в круговороте воды на планете.

Выполняя перечисленные функции, живое вещество адаптируется к окружающей среде и приспосабливает ее к своим биологическим потребностям. При этом живое вещество и среда его обитания развиваются как единое целое, однако контроль за состоянием среды осуществ­ ляют живые организмы. Такого рода биологический кон­ троль за состоянием биосферы на глобальном уровне стал основой гипотезы Геи, предложенной американскими физиком Дж.Лавлоком и микробиологом Л.Маргулисом. Согласно этой гипотезе, организмы, прежде всего мик­ роорганизмы, вместе со средой обитания образуют сложную систему регуляции —“коричневый пояс” , под­ держивающий на Земле условия, благоприятные для жизни.

4.10. БОЛЬШОЙ И МАЛЫЙ КРУГОВОРОТЫ ВЕЩЕСТВ В БИОСФЕРЕ

Все вещества на нашей планете находятся в процессе круговорота. Солнечная энергия вызывает на Земле два круговорота веществ, большой, или биосферный (охва­ тывающий всю биосферу), и малый, или биологический (внутри экосистем).

Биосферному круговороту веществ предшествовал геологический, связанный с образованием и разрушени­ ем горных пород и последующим перемещением продук­ тов разрушения —обломочного материала и химических элементов. Значительную роль в этих процессах играли

ипродолжают играть термические свойства поверхности суши и воды: поглощение и отражение солнечных лу­ чей, теплопроводность и теплоемкость. Вода больше по­ глощает солнечной энергии, а поверхность суши в одних

итех же широтах больше нагревается. Неустойчивый гидротермический режим поверхности Земли вместе с планетарной системой циркуляции атмосферы обуслов­ ливал геологический круговорот веществ, который на начальном этапе развития Земли, наряду с эндогенными процессами, был связан с формированием континентов,

океанов и современных геосфер. О геологическом прояв­ лении его говорит и перенесение воздушными массами продуктов выветривания, а водой —растворенных в ней минеральных соединений. Со становлением биосферы в большой круговорот включились продукты жизнедеятель­ ности организмов. Геологический круговорот, не прекра­ тив своего существования, приобрел новые черты: он стал начальным этапом биосферного перемещения вещества. Именно он поставляет живым организмам элементы пи­ тания и во многом определяет условия их существова­ ния.

Большой круговорот веществ в биосфере характеризу­ ется двумя важными моментами: 1) осуществляется на протяжении всего геологического развития Земли; 2) представляет собой современный планетарный процесс, принимающий ведущее участие в дальнейшем развитии биосферы (Радкевич, 1983). На современном этапе разви­

тия человечества в результате большого круговорота на большие расстояния переносятся также загрязняющие вещества, такие как оксиды серы и азота, пыль, радиоак­ тивные примеси. Наибольшему загрязнению подверглись территории умеренных широт Северного полушария.

Перемещающееся в геологическом круговороте неор­ ганическое вещество является резервным фондом для биологической ветви биосферного круговорота. Этот резер­ вный фонд сосредоточен в атмосфере в виде газов и газо­ образных веществ, в воде — растворенных химических элементов и их соединений, в литосфере —минеральных и органоминеральных веществ почвенного покрова. К атмосфере и гидросфере приурочен в основном транзит­ ный цикл круговорота, к литосфере —осадочный.

Малый, или биологический, круговорот веществ развертывается на фоне большого, геологического, охва­ тывающего биосферу в целом. Он происходит внутри эко­ систем, но не замкнут, что связано с поступлением веществ и энергии в экосистему извне и с выходом части их в биосферный круговорот. По этой причине иногда говорят не о биологическом круговороте, а об обмене веществ и потоке энергии в экосистемах и отдельных организмах.

Растения, животные и почвенный покров на суше об­ разуют сложную мировую систему, которая формирует биомассу, связывает и перераспределяет солнечную энер­ гию, углерод атмосферы, влагу, кислород, водород, азот, фосфор, серу, кальций и другие элементы, участвующие в жизнедеятельности организмов. Растения, животные и микроорганизмы водной среды образуют другую плане­ тарную систему, выполняющую ту же функцию связы­ вания солнечной энергии и биологического круговорота веществ (Ковда, 1976).

Суть биологического круговорота заключается в про­ текании двух противоположных, но взаимосвязанных процессов — созидания органического вещества и его разрушения. Начальный этап возникновения органичес­ кого вещества обусловлен фотосинтезом зеленых расте­ ний, т.е. образованием этого вещества из углекислого газа, воды и простых минеральных соединений с использова­ нием лучистой энергии Солнца. Растения извлекают из почвы в растворенном виде серу, фосфор, кальций, ка­

лий, магний, марганец, кремний, алюминий, медь, цинк и другие элементы. Растительноядные животные погло­ щают уже соединения этих элементов в виде пищи расти­ тельного происхождения. Хищники питаются раститель­ ноядными животными, потребляют пищу более сложно­ го состава, включая белки, жиры, аминокислоты и др. В процессе разрушения микроорганизмами органического вещества отмерших растений и остатков животных в по­ чву и водную среду поступают простые минеральные со­ единения, доступные для усвоения растениями, и начи­ нается следующий виток биологического круговорота.

В отличие от большого круговорота малый имеет разную продолжительность: различают сезонные, годо­ вые, многолетние и вековые малые круговороты. При изучении биологического круговорота веществ основное внимание уделяется годовому ритму, определяемому годичной динамикой развития растительного покрова.

Обмен веществом и энергией, осуществляющийся меж­ ду различными структурными частями биосферы и опре­ деляющийся жизнедеятельностью микроорганизмов, на­ зывается биогеохимическим циклом. Именно с введени­ ем В.И.Вернадским понятия “биогеохимический цикл” перестало существовать представление о круговороте веществ как о замкнутой системе. Все биогеохимические циклы составляют современную динамическую основу существования жизни, взаимосвязаны друг с другом и каждый из них играет свойственную ему роль в эволю­ ции биосферы.

Отдельные циклические процессы, слагающие общий круговорот веществ в биосфере, не являются полностью обратимыми. Одна часть веществ в повторяющихся про­ цессах превращения и миграции рассеивается или свя­ зывается в новых системах, другая возвращается в кру­ говорот, но уже с новыми качественными и количествен­ ными признаками. Часть веществ может также извле­ каться из круговорота, перемещаясь вследствие физико­ геологических процессов в нижние горизонты литосферы или рассеиваясь в космическом пространстве.

Продолжительность циклов круговорота тех или иных веществ чрезвычайно различна. Время, достаточное для полного оборота углекислого газа атмосферы через фото­ синтез, составляет около 300 лет, кислорода атмосферы

тоже через фотосинтез — 2000—2500, азота атмосферы через биологическую фиксацию, окисление электричес­ кими разрядами и фотохимическим путем — примерно 100 млн лет, воды через испарение —около 1 млн лет.

В большом и малом круговоротах участвует множе­ ство химических элементов и их соединений, но важней­ шими из них являются те, которые определяют совре­ менный этап развития биосферы, связанный с хозяйствен­ ной деятельностью человека. К ним относятся кругово­ роты углерода, серы и азота (их оксиды — главнейшие загрязнители атмосферы), а также фосфора (фосфаты — главный загрязнитель вод суши). Большое значение име­ ют круговороты токсичных элементов — ртути (загряз­ нитель пищевых продуктов) и свинца (компонент бен­ зина). Кроме того, из большого круговорота в биологи­ ческий поступают многие вещества антропогенного про­ исхождения (ДДТ, пестициды, радионуклиды и др.), ко­ торые причиняют вред биотещ здоровью человека.

Круговорот углерода. Это один из важнейших круго­ воротов веществ в биосфере. Изменения глобального масштаба в круговороте углерода, связанные с челове­ ческой деятельностью, приводят к неблагоприятным для биосферы последствиям. По оценкам Международного научного комитета по проблемам окружающей среды (1974), ни одно из тех изменений, которые произошлина Земле в результате антропогенной деятельности, не имеет более существенного значения для интересов чело­ вечества, чем изменения всемирного масштаба, вызван­ ные процессом циркуляции углерода. С углеродом не­ посредственно связаны содержание кислорода в атмос­ фере и его круговорот в биосфере.

Углерод участвует в большом и малом круговоротах вещества. Его соединения в биосфере постоянно возни­ кают, испытывают превращения и разлагаются. Основ­ ной путь миграции углерода —от углекислого газа атмос­ феры в живое вещество и из живого вещества в углекис­ лый газ атмосферы. При этом часть его выходит из кру­ говорота, оставаясь в почве или откладываясь в осадочных породах.

В биологическом круговороте углерода (рис.4.16) выделяются три стадии: 1) зеленые растения, поглощая углекислый газ из воздуха, создают органическое веще-

Почвенное

дыхание

Рис. 4.16. Биологический круговорот углерода (массе углерода соответствует размер изображаемых путей)

ство; 2) животные, питаясь растениями, из содержащихся в них соединений углерода продуцируют другие соедине­ ния; 3) микроорганизмы разрушают вещество мертвых растений и животных и освобождают углерод, который снова попадает в атмосферу в составе углекислого газа. Источником углерода является также углекислый газ, поступающий в атмосферу при дыхании растений в тем­ ное время суток. Часть углерода накапливается в виде мертвых органических веществ там, где отсутствуют ус­ ловия для их разложения, и переходит в ископаемое со­ стояние (торф, каменный уголь, нефть и др.). Учитывая довольно интенсивное захоронение отмерших остатков растений и животных в болотах, лагунах, морских бассейнах и пресноводных водоемах, следует признать, что изъятие углерода из биологического круговорота этим путем в течение всей биологической эволюции биосферы шло довольно интенсивными темпами. В предшествую­ щие геологические эпохи, когда атмосфера Земли была несравненно больше насыщена углекислым газом, усло­ вия для фотосинтеза были более благоприятны и огром­ ное количество углерода в органических остатках оказа­ лось захороненным в недрах, образовав залежи полезных ископаемых. Общая масса углерода в них оценивается более чем в 10 000 трлн т.

Содержание углерода в нефти составляет 82,5—87,0 %, в бурых углях —до 76 %, в каменном угле —до 90 % и более, в тканях живых организмов в перерасчете на су­ хое вещество: у водных растений и животных —34,5—40 %, у наземных растений и животных - 45,4—46,5 %, у бакте­ рий - 54 %.

О масштабности современного биологического круго­ ворота углерода можно судить по тому обстоятельству, что растительные организмы, включая водоросли, еже­ годно продуцируют около 1,5 трлн т углерода органичес­ кой массы. По расчетам М.И.Будыко, весь запас угле­ кислого газа в атмосфере, если бы он не возобновлялся, был бы исчерпан растениями за восемь лет. Условия жизни на Земле определяются этими масштабами фото­ синтеза.

В биологическом круговороте в экосистемах суши уча­ ствует небольшая доля всей массы углерода, а значи­ тельная часть законсервирована в “былых биосферах” , входит в состав полезных ископаемых.

На суше особенно мощным естественным источником поступления углекислого газа в атмосферу являются вул­ каны.

Весьма существенное звено в большом круговороте углерода — водные массы гидросферы. Углекислый газ представлен в ней в виде как разбавленных растворов угольной кислоты, так и, главным образом, гидрокарбо­ натов металлов. Повышение концентрации и парциаль­ ного давления С02 в атмосфере, региональное или сезон­ ное охлаждение вод сопровождаются немедленным уве­ личением концентрации углекислого газа в воде и раство­ ров гидрокарбоната кальция. Многие водные организмы, поглощая углекислый кальций, создают свои скелеты, из которых затем образуются донные известковые отло­ жения вплоть до пластов известняков. Выпадая в оса­ док, карбонат кальция связывает часть углекислого газа в осадочных горных породах на дне Мирового океана и пресноводных водоемов, а часть углекислого газа при этом вновь возвращается в атмосферу:

Са(НС03)2 —>CaC03i + Н2С03 . Н20 С02

Между углекислым газом атмосферы и водой океана существует подвижное'равновесие. Уменьшение концен­ трации диоксида углерода в атмосфере неизбежно вызы­ вает дегазацию вод океана и поступление углекислого газа в атмосферу. Фотосинтез в гидросфере также явля­ ется постоянно действующим механизмом поглощения углекислого газа из атмосферы и газов, растворенных в водной среде, с соответствующим освобождением кисло­ рода.

Таким образом, океан и атмосфера представляют со­ бой единую систему, регулирующую распределение диок­ сида углерода между ними. Многие экологи считают, что в современную эпоху океан продолжает эффективно выполнять функцию захвата и связывания избыточного углекислого газа путем перевода его в известковые осад­ ки, а также образования биомассы живого вещества и мертвой органики в толщах морской воды (Ковда, 1976).

Круговорот углерода контролирует содержание кис­ лорода в атмосфере, при этом общая масса кислорода оценивается в 1,2 *106 млрд т (Будыко и др., 1985). Об­ щепланетарный расход кислорода на сжигание органи­ ческого топлива составляет около 15 млрд т в год. Еже­ годное поступление в атмосферу кислорода, освобожден­ ного при фотосинтезе, оценивается от 140 до 200 млрд т. Он почти полностью используется при дыхании организ­ мов и минерализации отмершей органической массы, а также частично консервируется в литосфере. Только не­ значительная часть его (0,04 %) пополняет содержание кислорода в атмосфере.

Расход кислорода на сжигание топлива в 100—200 раз повышает его поступление в атмосферу в результате фо­ тосинтеза. На сжигание топлива используется кислород, уже накопленный атмосферой *и ежегодное уменьшение происходит примерно на одну десятитысячную часть его массы в атмосфере. Полное сжигание углеродного топ­ лива уменьшит содержание кислорода в атмосфере толь­ ко на долю процента. Значительные изменения массы кислорода могут быть только за очень длительные про­ межутки времени, измеряемые миллионами лет (Буды­ ко и др., 1985). По этой причине наибольшую вероятную опасность для биосферы представляет нарушение круго­ ворота углерода.