1.3. Круговорот веществ в природе – первый основной принцип функционирования природных экосистем
Природные экосистемы функционируют в соответствии с тремя основными принципами:
Первый основной принцип функционирования природных экосистем – получение ресурсов и избавление от отходов - происходит в рамках круговорота всех элементов (гармонирует с законом сохранения массы). Круговорот биогенных элементов, обусловленный синтезом и распадом органических веществ в экосистеме, в основе которого лежит реакция фотосинтеза, называют биотическим круговоротом веществ. Кроме биогенных элементов, в биотический круговорот вовлечены важнейшие для биоты минеральные элементы и множество различных соединений. Поэтому весь циклический процесс химических превращений, обусловленных биотой, называют ещё биогеохимическим круговоротом.
Круговорот углерода
Углерод является главным участником биотического круговорота как основа органического вещества.
Молекулы углекислого газа из воздуха и воды поставляют углерод для образования в ходе фотосинтеза глюкозы и других органических веществ, из которых построены все ткани продуцентов. Процесс фотосинтеза можно схематично представить уравнением
В
дальнейшем эти органические вещества
переносятся по пищевым цепям и образуют
ткани всех остальных живых организмов
экосистемы. Возвращаются в атмосферу
атомы углерода в процессе клеточного
дыхания:
При
этом выделяется энергия (Q),
которая используется живым организмом
для синтеза необходимых ему веществ и
выполнения жизненных функций. Особенность
круговорота углерода состоит в том, что
в далёкие геологические эпохи (сотни
миллионов лет назад) значительная часть
фотосинтезируемого органического
вещества не использовалась фитофагами,
а постепенно погребалась под различными
минеральными осадками. Находясь в земле
миллионы лет, этот детрит под действием
высоких температур и давления превратился
в нефть, природный газ, уголь, в зависимости
от условий и продолжительности
воздействия. В настоящее время мы в
огромных количествах добываем это
ископаемое топливо, сжигаем его, чем и
завершаем круговорот углерода. Но
одновременно резко возрастает концентрация
СО2 в воздухе: его поступление
существенно превышает возможности
растений поглощать его. Это обстоятельство
чревато серьёзными климатическими
последствиями (парниковый эффект).
Круговорот азота
Круговорот азота несколько сложнее, так как включает газовую и твёрдую фазу. Основная часть азота содержится в воздухе (N2) – 78%. Большинство растений не могут усваивать его непосредственно из воздуха. Для усвоения азот должен входить в состав ионов аммония (NH4+) или нитрата (NO3-). Некоторые азотофиксирующие бактерии, живущие в клубнях бобовых растений, клевера, сине-зелёных водорослей и др., могут превращать атмосферный азот в аммонийный (пример мутуализма: растения дают пищу бактериям, а последние обеспечивают растения азотом). По пищевым цепям органический азот передаётся от бобовых другим организмам экосистемы. Когда в процессе клеточного дыхания белки и другие азотосодержащие органические соединения расщепляются, азот выделяется в окружающую среду главным образом в аммонийной форме. Некоторые бактерии могут переводить аммонийный азот в нитратный (процесс нитрификации). В результате азот совершает круговорот как минеральный биоген. Однако такая минерализация обратима, поскольку другие почвенные бактерии могут превращать ионы NH+4 в NO-3 - N2, Часть N2 окисляется во время гроз (N2 + O2 2NO; 2NO+O2 2NO2) и поступает в почву вместе с дождевой водой. Но по этому механизму азота фиксируется в 10 раз меньше, чем с помощью бактерий.
Следовательно, все естественные экосистемы зависят от азотофиксирующих организмов. Это семейство включает огромное количество растений – от клевера до тропических деревьев и пустынных кустарников. Для каждой крупной наземной экосистемы есть характерные для неё виды клубеньковых. В водных экосистемах круговорот азота выглядит подобным образом. Для водных систем в роли азотфиксирующих растений выступают сине-зелёные водоросли.
Круговорот фосфора
Фосфор входит в состав генов и АТФ, выполняющих функцию переносчиков энергии внутри клетки. В минералах фосфор содержится в виде фосфатов (РО4 3-), многие из которых растворимы в воде, но не летучи. Растения поглощают РО43- из водного раствора и включают его в состав различных органических соединений (органический фосфор, его содержание в растениях – 0,1+0,015%). По пищевым цепям фосфор от растений переходит ко всем прочим организмам экосистемы (в живых организмах фосфора содержится от 0,1 до нескольких процентов). Из воды фосфор поглощается фитопланктоном, а затем по пищевым цепям другими обитателями воды (рыбы богаты фосфором). Но и здесь есть вероятность окисления фосфоросодержащего органического соединения в процессе клеточного дыхания для получения энергии. Тогда фосфор в виде мочи или её аналога вновь поступает в окружающую среду, после чего снова может поглощаться растениями и начинать новый цикл.
В отличие от углерода и азота фосфор не даёт газовой фазы и, следовательно, свободного возврата в экосистему нет (происходит обеднение почвы фосфором в агроэкосистемах, где осуществляется вынос фосфора вместе с урожаем).
Подобные круговороты характерны и для других биогенов (воды, кислорода, серы, кальция и др.).
Круговорот веществ на Земле поддерживается энергией, основным источником которой является солнечная энергия. Продолжительность того или иного цикла оценивается по тому времени, которое было бы необходимо, чтобы вся масса данного вещества могла обернуться один раз на Земле в том или ином процессе (табл. 1).
Таблица 1