Круговорот веществ в природе

Круговорот воды. Под действием энергии Солнца вода испаряется с поверхности водоёмов и воздушными течениями переносятся на большие расстояния.

Выпадая на поверхность суши в виде осадков, она способствует разрушению горных пород и делает составляющие их минералы доступными для растений, микроорганизмов и животных. Она размывает верхний почвенный слой и уходит вместе с растворёнными в ней химическими соединениями и взвешен-ными органическими и неорганическими частицами в моря и океаны.

Циркуляция воды между океаном и сушей - важнейшее звено в поддержании жизни на Земле.

Растения участвуют в круговороте воды двояким спо-собом: извлекают её из почвы и испаряют в атмосферу; часть воды в клетках растений расщепляется в процессе фотосинтеза. При этом водород фиксируется в виде органических соединений, а кислород поступает в атмосферу.

Животные потребляют воду для поддержания осмоти-ческого и солевого равновесия в организме и выделяют её во внешнюю среду вместе с продуктами обмена веществ.

Круговорот углерода.

Углерод поступает в биосферу в результате фиксации его в процессе фотосинтеза. Коли-чество углерода, ежегодно связываемого растениями, оценивается в 46 млрд. т. Часть его поступает в тело животных и освобождается в результате дыхания в виде СО2, который вновь поступает в атмосферу. Кроме того, запасы углерода в атмосфере пополняются за счёт вулканической деятельно-сти и сжигания человеком горючих ископаемых. Хотя основная часть поступающего в атмосферу диоксида угле-рода поглощается океаном и откладывается в виде карбонатов, содержание СО2 в воздухе медленно, но неуклонно повышается. - 2 - Круговорот азота. Азот - один из основных биогенных элементов - в громадных количествах содержится в атмо-сфере, где составляет 80% от общей массы её газообразных компонентов.

Однако в молекулярной форме он не может использоваться ни высшими растениями, ни животными. В форму, пригодную для использования, атмосферный азот переводят электрические разряды (при которых образуются оксиды азота, в соединении с водой дающие азотистую и азотную кислоты), азотфиксирующие бактерии и синезелё-ные водоросли.

Одновременно образуется аммиак, который другие хемосинтезирующие бактерии последовательно переводят в нитриты и нитраты.

Последние наиболее усвояемы для растений.

Биологическая фиксация азота на суше составляет примерно 1 г/м2, а в плодородных областях достигает 20 г/м2. После отмирания организмов гнилостные бактерии раз-лагают азотсодержащие соединения до аммиака. Часть его уходит в атмосферу, часть восстанавливается денитрифицирующими бактериями до молекулярного азота, но основная масса окисляется до нитритов и нитратов и вновь использу-ется.

Некоторое количество соединений азота оседает в глубоководных отложениях и надолго (миллионы лет) выключается из круговорота. Эти потери компенсируются поступлением азота в атмосферу с вулканическими газами.

Круговорот серы. Сера входит в состав белков и также представляет собой жизненно важный элемент. В виде соединений с металлами - сульфидов - она залегает в виде руд на суше и входит в состав глубоководных отложений. В доступную для усвоения растворимую форму эти соединения переводятся хемосинтезирующими бактериями, способными получать энергию путём окисления восстановленных соединений серы. В результате образуются сульфаты, которые используются растениями.

Глубоко залегающие сульфаты вовлекаются в круговорот другой группой микроорганиз-мов, восстанавливающих сульфаты до сероводорода. - 3 - Круговорот фосфора.

Резервуаром фосфора служат залежи его соединений в горных породах.

Вследствие вымывания он попадает в речные системы и частью используется растениями, а частью уносится в море, где оседает в глубоководных отложениях. Кроме того, в мире ежегодно добывается от 1 до 2 млн.т. фосфорсодержащих пород.

Большая часть этого фосфора также вымывается и исключается из круговорота.

Благодаря лову рыбы часть фосфора возвращается на сушу в небольших размерах (около 60 тыс.т. элементарного фосфора в год). Из приведённых примеров видно, какую значительную роль в эволюции неживой природы играют живые орга-низмы. Их деятельность существенно влияет на формиро-вание состава атмосферы и земной коры.

Большой вклад в понимание взаимосвязей между живой и неживой природой внёс выдающийся советский учёный В.И.Вернадский. Он выявил геологическую роль живых организмов и показал, что их деятельность представляет собой важнейший фактор преобразования минеральных оболочек планеты. Таким образом, живые организмы, испытывая на себе влияние факторов неживой природы, своей деятельностью изменяют условия окружающей среды, т.е. среды своего обитания. Это приводит к изменению структуры всего сообщества - биоценоза.

Установлено, что азот, фосфор и калий могут оказывать наибольшее положительное влияние на урожаи культурных растений, и потому эти три элемента в наибольших коли-чествах вносят в почву с удобрениями, применяемыми в сельском хозяйстве.

Поэтому азот и фосфор оказались главной причиной ускоренной эвтрофизации озёр в странах с интенсивным земледелием.

Эвтрофизация - это процесс обогащения водоёмов питательными веществами. Она представляет собой естественное явление в озёрах, так как реки приносят питательные вещества с окружающих дренажных площадей.

Однако этот процесс обычно идёт очень медлен-но, в течение тысяч лет. - 4 - Неестественная эвтрофизация, ведущая к стремительному увеличению продуктивности озёр, происходит в результате стока с сельскохозяйственных угодий, которые могут быть обогащены питательными веществами удобрений.

Существуют также два других важных источника фосфора - сточные воды и моющие средства.

Сточные воды, как в своём первоначальном виде, так и обработанные, обога-щены фосфатами.

Бытовые детергенты содержат от 15% до 60% биологически разрушаемого фосфата.

Кратко можно резюмировать, что эвтрофизация в конце концов приводит к истощению ресурсов кислорода и к гибели большинства жи-вых организмов в озёрах, а в крайних ситуациях - и в реках.

Организмы в экосистеме связаны общностью энергии и питательных веществ, и необходимо чётко разграничить эти два понятия. Всю экосистему можно уподобить единому механизму, потребляющему энергию и питательные вещества для совершения работы.

Питательные вещества первона-чально происходят из абиотического компонента системы, в который в конце концов и возвращаются либо в качестве отходов жизнедеятельности, либо после гибели и разруше-ния организмов. Таким образом, в экосистеме происходит постоянный круговорот питательных веществ, в котором участвуют и живой и неживой компоненты. Такие кругово-роты называются биогеохимическими циклами. Поток энергии и круговороты биогенных элементов в экосистеме.

Энергия Биотический Тепловая света компонент энергия Солнце Биогенные элементы Абиотический компонент Поток энергии Круговорот биогенных элементов - 5 - На глубине в десятки километров горные породы и ми-нералы подвергаются воздействию высоких давлений и температур. В результате происходит метаморфизм (изменение) их структуры, минерального, а иногда и химического состава, что приводит к образованию метаморфических пород.

Опускаясь ещё дальше в глубь Земли, метаморфические породы могут расплавиться и образовать магму.

Внутренняя энергия Земли (т.е. эндогенные силы) поднимает магму к поверхности. С расплавленными горными породами, т.е. магмой, химические элементы выносятся на поверхность Земли во время извержений вулканов, застывают в толще земной коры в виде интрузий.

Процессы горообразования поднимают глубинные горные породы и минералы на поверхность Земли. Здесь горные породы подвергаются воздействию солнца, воды, животных и растений, т.е. разрушаются, переносятся и отлагаются в виде осадков в новом месте. В результате образуются осадочные горные породы. Они накапливаются в подвижных зонах земной коры и при пригибании снова опускаются на большие глубины (свыше 10 км). Вновь начинаются процессы метаморфизма, переправления, кристаллизации, и химические элементы возвращаются на поверхность Земли. Такой 'маршрут' химических элементов называется большим геологическим круговоротом.

Геологический круговорот не замкнут, т.к. часть химических элементов выходит из круговорота: уносится в космос, закрепляется прочными связями на земной поверхности, а часть поступает извне, из космоса, с метеоритами.

Геологический круговорот - это глобальное путешествие химических элементов внутри планеты. Более короткие путешествия они совершают на Земле в пределах отдельных её участков.

Главный инициатор - живое вещество. Орга-низмы интенсивно поглощают химические элементы из поч-вы, воздуха воды. Но одновременно и возвращают их.

Химические элементы вымываются из растений дождевыми водами, выделяются в атмосферу при дыхании и отлагаются в почве после смерти организмов.

Возвращённые химические элементы снова и снова вовлекаются живым веществом в 'путешествия'. Всё вместе и составляет биологический, или малый, круговорот химических элементов. Он тоже не зам-кнут. - 6 - Часть элементов-'путешественников' уносится за его пределы с поверхностными и грунтовыми водами, часть - на разное время 'выключается' из круговорота и задерживает-ся в деревьях, почве, торфе. Ещё один маршрут химических элементов проходит сверху вниз от вершин и водоразделов к долинам и руслам рек, впадинам, западинам. На водоразделы химические элементы поступают только с атмосферными осадками, а выно-сятся вниз и с водою, и под действием силы тяжести.

Расход вещества преобладает над поступлением, о чём говорит са-мо название ландшафтов водоразделов - элювиальные. На склонах жизнь химических элементов изменяется.

Скорость их передвижения резко увеличивается, и они 'про езжают' склоны, как пассажиры, удобно устроившиеся в ку-пе поезда.

Ландшафты склонов так и называются - транзит-ными. 'Отдохнуть' от дороги химическим элементам удаётся лишь в аккумулятивных (накапливающих) ландшафтах, расположенных в понижениях рельефа. В этих местах они часто и остаются, создавая для растительности хорошие условия питания. В некоторых случаях растительности приходится бороться уже с избытком химических элементов. Уже много лет назад в распределение химических эле-ментов вмешался человек. С начала ХХ столетия деятель-ность человека стала главным способом их путешествия. При добыче полезных ископаемых огромное количество веществ изымается из земной коры. Их промышленная пере работка сопровождается выбросами химических элементов с отходами производства в атмосферу, воды, почвы. Это за-грязняет среду обитания живых организмов. На земле появ-ляются новые участки с высокой концентрацией химических элементов - рукотворные геохимические аномалии. Они распространены вокруг рудников цветных металлов (меди, свинца). Эти участки иногда напоминают лунные пейзажи, потому что практически лишены жизни из-за высоких содержании вредных элементов в почвах и водах.