Биогеохимический круговорот веществ в биосфере – это важнейший природный процесс непрерывного обмена различных элементов между неживой средой и организмами (животными, растениями и т. д.) В основе всего лежат их принципиальные характеристики. К наиболее важным можно отнести способность к обмену веществ, к размножению, к передаче наследственных свойств.
Биогеохимический круговорот азота
Каждый элемент имеет свое значение. Важную роль в составе различных органических соединений играет азот. Несмотря на высокое процентное содержание азота в атмосфере, он недоступен растениям и животным. Этому есть свои причины. Энергетически растениям более выгодно использовать минеральный азот, а животным - в составе органических соединений.
Молекулярный азот из атмосферы связывают азотфиксирующие микроорганизмы и способствуют его накоплению в почве в виде аммиака. Другие используют азот мертвых организмов. Также они способствуют накоплению аммиака. Он превращается в нитраты, активно используемые растениями. Таковы в общих чертах особенности биогеохимического круговорота азота. Рассмотрим также процесс обмена других природных веществ.
Особенности биогеохимического круговорота углерода, серы и фосфора
Данные химические элементы необходимы каждому живому организму. Однако их жизненные потребности этим не исчерпываются. Поэтому в малом биологическом круговороте участвуют макроэлементы (потребность организмов в них довольно велика): калий, магний, натрий; а также микроэлементы: бор, марганец, хлор и др.
Они поступают в растения из почвы, хотя нередко и с атмосферными осадками. В составе фитомассы углерод, сера, фосфор потребляются растительноядными консументами и таким образом поступают в трофические цепи. Впрочем, некоторые животные удовлетворяют потребность в этих элементах, минуя растения. Копытные посещают солонцы, выгрызая почву, или поедают экскременты, старые кости. Морские животные поглощают соли непосредственно из воды. В процессе минерализации мертвых остатков микроорганизмы возвращают химические элементы в почву и в воду. Таким образом их деятельность способствует обогащению окружающей среды биогенными элементами.
Сбалансированность экосистемы
В малом биогеохимическом круговороте в биосфере важным обстоятельством является его полнота. В экосистеме приход и расход элементов сбалансирован, при этом сложности возникают в основном с элементами, резервирующимися в почве.
Сбалансированность потока веществ и энергии определяет устойчивость экосистемы - ее гомеостаз. Биосфера использует внешние источники энергии, что обеспечивает ее упорядоченность и достаточно сложную структуру. Рассеянная световая энергия растениями переводится в концентрированное состояние энергии химических связей.
При этом как изъятие энергии из среды, так и ее трансформация не приводит к образованию отходов.
Влияние деятельности людей на биосферные процессы
Вмешательство человека в биогеохимические круговороты осуществляется различными путями. Прежде всего, это разрушение биокомпонента экосистемы (уничтожение растений или изменение территории при добыче энергоносителей). При сжигании органического вещества энергия из концентрированного состояния переходит в рассеянное, что приводит к тепловому загрязнению аэрозолями и газообразными продуктами сгорания. В естественной экосистеме многократно используются атомы, участвующие в биогеохимических циклах. Этому способствует участие в круговоротах легких биогенных элементов, из которых состоит жизненное вещество.
Вмешательство человека влечет за собой привнесение в окружающую среду не только дополнительного количества свойственных ей элементов, но и новые химические соединения, в том числе и синтезированные человеком. Многие из них поглощаются растениями и затем поступают в цепи питания.
Примером могут служить свинец, соединения ртути, мышьяка и др. Поступление таких веществ нарушает естественный круговорот, изменяя баланс элементов, или приводит к их накоплению в живых организмах, снижая их продуктивность или вызывая гибель. Особенно сильное деструктивное воздействие оказывают пестициды и тяжелые металлы. Таким образом, устойчивость экосистемы, ее гомеостатичность может нарушаться прямо или косвенно деятельностью человека.
Экологическая пирамида
Обратимся к важнейшим закономерностям функционирования экосистемы и биогеохимических круговоротов. Воспользуемся для этого принципом экологической пирамиды. Она строится на основе биологической массы трофических уравнений. Площадь любой части такой пирамиды примерно равна массе вещества. Так как организмы строят свой уровень, используя предшествующий, эта площадь постепенно должна сокращаться. Такое уменьшение каждого уровня может быть десятикратным.
Например, экологическая пирамида, характерная для наземных экосистем, в которых продуценты - многолетние растения, имеют большую биомассу, хотя продукционный процесс имеет не самую высокую интенсивность. Он уравновешивается годовым приростом массы растительноядных животных. Закономерность образования органической массы называют правилом пирамиды. Существуют и другие ее разновидности.
Перевернутая пирамида
Возьмем экосистему водоемов. Пирамида, построенная для них, может выглядеть несколько иначе. Она имеет вид перевернутой. Дело в том, что недолго живущие водоросли очень быстро размножаются, но столь же интенсивно потребляются консументами. Поэтому одномоментно учтенная биомасса в этом случае не отражает интенсивность продукционного процесса в благоприятный период года. Если же учесть, что крупные консументы (рыбы, ракообразные) медленнее накапливаются и поедаются, суммарная масса консументов оказывается более высокой.
Продукционный процесс в экосистеме дает возможность их успешного функционирования. Он определяет характер потока энергии в биосфере. Как известно, живые организмы являются ее потребителями. Попадающая от солнца световая энергия используется зелеными растениями и приводит к образованию органических молекул, где она запасается в виде химических связей. Часть ее освобождается в процессе дыхания растений и используется ими для роста, поглощения и передвижения веществ. Так осуществляется биогеохимический круговорот.
Обмен энергией
Как известно, существуют законы термодинамики. Часть энергии теряется, отдавая тепло. В этом проявляется действие одного из законов. Он утверждает обязательность потери энергии в процессе ее превращения из одного вида в другой. При накоплении в растительном веществе она используется животными.
Расщепление молекул сопровождается высвобождением энергии. Значительная часть ее используется в процессе жизнедеятельности животных, переходя при этом из одной формы в другую. Это процессы биосинтеза и скапливания энергии новых связей. Это механическая, электрическая, тепловая и иные виды энергии. При ее преобразовании часть вновь теряется, отдавая тепло. Энергия постепенно переходит на другой уровень. При этом ее потеря происходит также при выбрасывании части не переваренной пищи (экскрементов) и в органических отходах метаболизма (экскретах).
Процесс использования энергии
В природе редко встречается хаос, обычно все упорядочено. Обратим внимание на некоторые количественные закономерности процесса использования и превращения энергии. На первом этапе растения используют в среднем около 1% ее поступлений. Иногда этот показатель достигает 2%. В наименее благоприятных условиях он снижается до 0,1%. При переходе энергии от продуцентов к консументам первого порядка эффективность достигает 10%.
Плотоядные, как видим, более эффективно усваивают пищу. Это связано с особенностями химического состава пищи и легкостью ее переваривания животными. И тем не менее уже на уровне консументов третьего порядка количество поступающей энергии весьма невелико и характеризуется тысячными долями от первоначальных значений.
