2.7. Биогеохимические циклы

Живое вещество состоит из множества химических элементов. Из них преобладают три: кислород (70 %), углерод (18 %) и водород (10 %). На долю азота, натрия, фосфора, магния, кремния, серы, калия, железа и хлора падает 1,5 %. На все остальные элементы системы Менделеева приходится менее 0,5 %.

Все химические элементы, в том числе и искусственно созданные, обычно циркулируют в биосфере по характерным путям.

В большей или меньшей степени замкнутые пути прохождения элементов из внешней среды в организмы и опять во внешнюю среду называются биогеохимическими циклами.

Перемещение необходимых для жизни элементов и неорганических соединений можно назвать круговоротом элементов питания.

Движение в циклах не всегда бывает равномерным, существуют пункты сосредоточения (фонды), в которых элементы задерживаются на более или менее длительное время. Поэтому в каждом круговороте можно выделить:

• резервный фонд – большая масса медленно движущихся веществ, в основном небиологический компонент;

• подвижный (обменный) фонд – меньший, но более активный, для которого характерен быстрый обмен веществ между организмами и их непосредственным окружением.

Любой атом, находящийся в резервном фонде, не обязательно все время недоступен для организмов, так как между резервным и обменным фондами существует постоянный обмен как за счет естественных процессов (извержения вулканов, пожары и др.), так и за счет деятельности человека (сжигание топлива, применение минеральных удобрений, искусственное орошение и др.). Основными биогеохимическими циклами являются циклы воды, углерода, кислорода, водорода, азота, фосфора и серы. Все циклы неразрывно связаны друг с другом и составляют в целом биосферу.

Круговорот воды. Вода – наиболее важная часть тела живых существ. В теле человека она составляет 60 % по весу, а в растительном организме достигает 95 %. В процессе круговорота происходит накопление, очистка и перераспределение планетарного запаса воды. Под действием солнечной энергии и сил земного притяжения вода непрерывно перемещается между океанами, атмосферой, сушей и живыми организмами. Важнейшими процессами этого круговорота являются испарение, конденсация, осадки и сток вод обратно в море для возобновления цикла. Человек может вмешиваться в круговорот воды двумя способами:

– забирая большое количество пресной воды из рек, озер и водоносных горизонтов, тем самым, истощая запас грунтовых вод и открывая доступ океанической соленой воде в подземные водоносные горизонты;

– уничтожая растительный покров суши в интересах развития сельского хозяйства, при добыче полезных ископаемых, строительстве жилья, дорог и других видах деятельности, что приводит к уменьшению просачивания поверхностных вод под землю, что, в свою очередь, сокращает пополнение запасов грунтовых вод, увеличивает риск наводнений, повышает интенсивность поверхностного стока, усиливая эрозию почв.

Круговорот азота. Азот составляет около 80 % атмосферного воздуха. Однако большинство организмов не могут усваивать азот из воздуха. Между тем азот участвует в построении белков и нуклеиновых кислот (ДНК). Большинству зеленых растений требуется азот в форме нитрат – ионов (NO₃^-) и ионов аммония (NH₄⁺). Газообразный азот, составляющий 78 % объема земной атмосферы, не может непосредственно использоваться живыми организмами. Но он может преобразовываться в растворимые в воде соединения, содержащие ионы NO₃^- и NH₄⁺, которые и усваиваются корнями растений.

В результате деятельности человека в круговорот включается азот, образующийся при сжигании топлива, выделяемый при добыче полезных ископаемых для производства минеральных удобрений, попадающий в окружающую среду со стоками животноводческих ферм и при удобрении сельскохозяйственных полей, что приводит к увеличению нитратов и нитритов в сельскохозяйственных культурах и делает их опасными для человека. Попадающие в водные объекты азотные соединения приводят к их эфтрофикации, т.е. бурному зарастанию, обескислороживанию, появлению сине-зеленых водорослей и, в дальнейшем - к заболачиванию.

Круговорот фосфора. Фосфор, главным образом в виде фосфат – ионов (РО₄^3- и НРО₄^2-), является важным питательным элементом, как для растений, так и для животных. Он входит в состав молекул ДНК, несущих генетическую информацию; молекул АТФ и АДФ, в которых запасается необходимая для организмов химическая энергия, используемая при клеточном дыхании; молекул жиров, образующих клеточные мембраны в растительных и животных клетках; а также веществ, входящих в состав костей и зубов животных. Фосфор, высвобождаемый при медленном разрушении (или выветривании) фосфатных руд, растворяется почвенной влагой и поглощается корнями растений. Фосфатные соединения очень плохо растворяются в воде и встречаются лишь в определенных типах горных пород. Таким образом, во многих почвах и водных экосистемах содержание фосфора является лимитирующим фактором роста растений.

Животные получают необходимый им фосфор, поедая растения или других растительноядных животных. Значительная часть этого фосфора в виде экскрементов животных и продуктов разложения мертвых животных и растений возвращается в почву, в реки и, в конце концов, на дно океана в виде нерастворимых фосфатных осадочных пород.

Часть фосфора возвращается на поверхность суши в виде гуано — обогащенной фосфором органической массы экскрементов питающихся рыбой птиц (пеликанов, олуш, бакланов и т.п.). Однако несравнимо большее количество фосфатов ежегодно смывается с поверхности суши в океан в результате природных процессов и антропогенной деятельности.

Вследствие геологических процессов, длящихся миллионы лет, могут подниматься и осушаться участки океанического дна, образуя острова или материки. Последующее выветривание обнажившихся горных пород приводит к высвобождению новых количеств фосфора и продолжению круговорота.

Вмешательство человека в круговорот фосфора сводится в основном к добыче больших количеств фосфатных руд для производства минеральных удобрений и моющих средств и избытку фосфат – ионов в водных экосистемах при попадании в них загрязненных стоков с животноводческих ферм, смытых с полей фосфатных удобрений, а также очищенных и неочищенных коммунально-бытовых стоков.

Круговорот углерода. Углерод является основным строительным материалом молекул белков, жиров, нуклеиновых кислот (ДНК и РНК) и других важных для жизни органических соединений. Растения поглощают диоксид углерода IV (CO₂) из атмосферы и под действием солнечного света с помощью хлорофилла осуществляют фотосинтез сложных органических соединений, например сахаров.

В процессе клеточного метаболизма молекулы сахара преобразуются в протеины, липиды и т.д. Эти различные вещества служат углеводным питанием животным, растениям и человеку. Для животных этот процесс осложняется необходимостью переваривания съеденной пищи, в процессе которого сложные молекулы, содержащие углерод, разлагаются до простых.

С другой стороны, все организмы осуществляют клеточное дыхание – процесс обратный фотосинтезу, то есть выбрасывают в атмосферу CO₂.

Когда наступает смерть, то детритофаги и биоредуценты разлагают и минерализуют трупы, образуя цепи питания, в конце которых углерод вновь поступает в круговорот в форме углекислоты ("почвенное дыхание"). Детритофаги превращают животные и растительные остатки в новые органические соединения (гумус). Грибы и бактерии разлагают гумус с выделением углекислого газа. При недостатке воздуха, а также, высокой кислотности, детритофаги не могут функционировать, и органические остатки накапливаются в виде торфа и образуют торфяные болота. Это приостанавливает круговорот.

В далекие геологические эпохи значительная часть фотосинтезированного органического вещества, не использованная консументами и редуцентами, накапливалась, погребаясь под минеральными осадками. За миллионы лет под действием высоких температур и давлений это вещество превратилось в нефть, газ и уголь, в зависимости от исходного материала, продолжительности и условий пребывания в земле. При сжигании их в качестве топлива накопившийся углерод вновь превращается в CO₂. При неполном сгорании топлива в атмосферу могут выбрасываться окись углерода CO (угарный газ), сажа C и другие углеродсодержащие соединения (альдегиды, бензапирен и др.). Они могут непосредственно вступать во взаимодействие с живым веществом, разрушая и отравляя его.

В воде также происходит замедление круговорота углерода, так как углерод, помимо фотосинтеза водорослями, накапливается в составе CaCO₃ (мел, известняк, кораллы) химического или биогенного происхождения. Эти массы углерода остаются вне круговорота в течение целых геологических периодов, пока CaCO₃ в виде горных цепей не поднимается над поверхностью моря. С этого момента начинается выщелачивание известняка атмосферными осадками, а также под действием корней растений.

CaCO₃ + 2HNO₃ = Ca(NO₃)₂ + H₂O + CO₂

Углерод горных пород может быть также высвобожден в результате человеческой деятельности (добыче полезных ископаемых, разложении под действием кислотных дождей и др.). Так разрушаются мраморные памятники архитектуры, простоявшие несколько тысячелетий (Акрополь, Колизей и др.).

Круговорот второстепенных элементов. Второстепенные элементы также мигрируют между организмами и средой. Но в окружающую среду часто попадают побочные продукты промышленности, содержащие тяжелые металлы, радиоактивные элементы, токсичные органические соединения и др. Попадая в биосферу, они могут мигрировать из атмосферы в воду, из нее в почву и через пищевые цепи попадать организмы и человека, приводя к различным заболеваниям.

Контрольные вопросы

0. Циклы каких элементов вам известны?

1. За счет чего осуществляется круговорот воды в атмосфере?

2. Как и за счет чего осуществляется цикл азота?

3. Как происходит круговорот фосфора? Как в него вмешивается человек?

4. Происходит ли образование, превращение или разрушение атомов химических элементов в результате их круговоротов?

5. Почему атомы углерода из диоксида углерода не включаются в молекулу сахара в темноте?

6. Почему не происходит загрязнения природной экосистемы мертвым органическим веществом. Приведите примеры, иллюстрирующие Вашу точку зрения.