Круговорот веществ и превращения энергии в биосфере

Круговорот веществ. Основной биологический круговорот веществ, создавший биосферу и определяющий ее устойчивость н целостность, связан с жизнедеятельностью всей биомассы планеты в целом.

Зеленые растения, поглощая световую энергию Солнца, создают из неорганических веществ органические вещества – первичную продукцию для животных, грибов, бактерий всей планеты. Животные превращают первичную растительную продукцию во вторичную – животную. Бактерии и грибы разрушают первичную растительную и вторичную животную продукцию до минеральных веществ.

Основу биологического круговорота, обеспечивающего жизнь на Земле, составляют энергия Солнца и хлорофилл зеленых растений. Все остальные, круговороты связаны с биологическим и способствуют ему [45].

Круговорот азота в природе
Рис. 45. Круговорот азота в природе

Во всяком биогеоценозе взаимоотношения между популяциями разных видов очень сложны и противоречивы. Животные и растения связаны цепями питания друг с другом и постоянным обменом веществ с окружающей неживой природой (свет, вода, тепло, воздух, химические элементы). Тем самым они включаются в круговороты веществ, происходящие в каждом биогеоценозе и во всей биосфере.

В биосфере все время совершаются круговороты воды и всех элементов, входящих в состав живых организмов. Процесс этот длится десятки миллионов лет. «На земной поверхности нет химической силы, более постоянно действующей, а потому и более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом» (Вернадский).

В круговороте веществ живое вещество, или биомасса, выполняет биогеохимические функции: газовую, концентрационную, окислительно-восстановительную и биохимическую.

Газовая функция осуществляется зелеными растениями, которые в процессе фотосинтеза выделяют кислород, а также растениями и животными, которые при дыхании выделяют углекислый газ, многими бактериями, восстанавливающими азот, сероводород и др.

Концентрационная функция проявляется в «захвате» живым веществом химических элементов (водорода, углерода, азота, кислорода, натрия, марганца, магния, алюминия, фосфора, кремния, калия, кальция, серы, железа) и накоплении отдельными видами иода, радия и др.

Окислительно-восстановительная функция проявляется в окислении веществ с помощью организмов в почвах и гидросфере с образованием солей, оксидов и других соединений, в восстановлении веществ (сероводород, серное железо и др ). В результате деятельности бактерий в земной коре образовались отложения известняков, бокситов, руды и др.

Биохимическая функция связана: с питанием, дыханием и размножением; с разрушением и гниением отмерших организмов. Все эти функции проявляются в биогенной миграции атомов.

Особое место занимает функция человеческой деятельности и созданный ею круговорот выделяемых и поглощаемых промышленностью химических элементов.

Биогенная миграция атомов. В биосфере совершается постоянный круговорот активных элементов, переходящих из организма в организм, в неживую природу и снова в организм. Это биогенная миграция, отличающаяся от происходящих на Земле физико-химических перемещений в водной среде (растворение элементов, передвижение растворов в почвенных, грунтовых и поверхностных водах) и атмосфере (передвижение газообразных соединений и паров воды). Элементы, освобожденные микроорганизмами при гниении, поступая в почву и атмосферу, снова включаются в круговорот веществ биосферы, захватываются живыми организмами.

В круговороте веществ биосферы в состав живых организмов входят одни и те же элементы (углерод, азот, водород, кислород, сера). Из неживой природы они переходят в состав растений, из растений – в животных и человека. Атомы переходят из организма в организм и удерживаются в круге жизни сотни миллионов лет, что подтверждают последние данные об изотопах. В состав органических соединений входят определенные изотопы элементов. Из трех изотопов водорода 1H, 2H, 3H активным будет первый, вступающий в реакцию в 6 раз быстрее, чем второй. В природе существуют три изотопа кислорода: 16O, 17O, 18O. Кислород 16O, наиболее легкий, входит в состав воды и участвует в фотосинтезе. Известно, что в состав органических веществ входит 12C, тогда как в неорганических процессах участвует 13C.

Для биогенной миграции характерно накопление химических элементов в живых организмах, а также их освобождение в результате разложения мертвых организмов. В каждом биогеоценозе можно наблюдать биологический круговорот элементов– аккумуляцию и минерализацию их. Образование живого вещества преобладает над минерализацией на поверхности суши и в верхних горизонтах моря при наличии зеленых растений. Растительный покров земного шара извлекает углерод из углекислого газа атмосферы и гидросферы. Минерализация преобладает в почве и в глубинах моря. Расселение, передвижение организмов (бактерий, спор, семян, насекомых, птиц, рыб и др.) способствуют миграции атомов. Перенос химических элементов производится дальними миграциями птиц, рыб и насекомых. Сложная цепь взаимоотношений растений и животных, передающих друг другу необходимые для жизни элементы, видна во всех биогеоценозах.

Биогенная миграция вызывается тремя процессами жизни: обменом веществ в организмах, ростом и размножением их.

Различают два рода биогенной миграции атомов: первый производят микроорганизмы и второй – многоклеточные организмы. Миграция атомов первого рода превышает миграцию второго. Человечество овладело миграцией атомов третьего рода, идущей под влиянием его деятельности.

Роль микроорганизмов в круговороте веществ. Распространенность микроорганизмов в атмосфере, литосфере, гидросфере, быстрота их размножения и жизнедеятельность, влияющие на круговорот веществ, играют колоссальную роль в биосфере.

Споры некоторых бактерий сохраняют жизнеспособность при температуре –253°С. Маленькие и легкие микроорганизмы и своры заносятся за пределы тропосферы. Распространение бактерий обусловлено быстротой их размножения. В 1 г бактерий свыше 600 млрд. особей. Потомство одной бактерии при наличии питательных веществ и беспрепятственном размножении за 5 суток заполнило бы Мировой океан. Микроорганизмы в силу своей способности к быстрому размножению обладают громадной генетической изменчивостью и приспособляемостью.

По роду питания и использования энергии различают следующие бактерии: хемосинтезирующие, использующие энергию химических соединений (железобактерии, серобактерии, азотобактерии и др.); бактерии-сапрофиты, пищей которых служат органические вещества (молочнокислые, маслянокислые, уксуснокислые, гнилостные и др.); бактерии-паразиты, питающиеся за счет живых организмов (болезнетворные – туберкулеза, чумы, холеры, тифа и др.). Узкая «специализация» жизнедеятельности бактерий приводит к смене одних бактерий другими. Например, при молочнокислом брожении вначале в молоке в большом количестве присутствуют гнилостные и маслянокислые бактерии; затем по мере накопления молочной кислоты они погибают, не выдерживая высокой кислотности, и на смену им приходят молочнокислые бактерии. Но затем и они, окисляя сахар, погибают в созданной ими среде молочной кислоты. В почве гнилостные бактерии разлагают органические остатки, выделяя аммиак, который другие бактерии превращают в азотистую, а затем в азотную кислоту.

Наряду с накоплением в почве соединений азота нитрифицирующими (аэробными) и другими бактериями в ней происходит и обратный процесс выделения аз воздух денитрифицирующими (анаэробными) бактерия [45].

Л. Пастер назвал бактерии «великими могильщиками природы». Ежеминутно умирают миллионы организмов. Разложение при гниении мертвых тел растений и животных – величайший процесс в биосфере, вновь превращающий сложные органические соединения в минеральные. При гниении выделяется в атмосферу большое количество углекислого газа и водорода. Если зеленые растения являются производителями органического вещества, животные – его потребителями, то микроорганизмы в основном его разрушителями. Микроорганизмы принимают большое участие в геохимических процессах и круговоротах веществ в биосфере а также и в выводе веществ из круговорота и откладывании залежей их в земной коре.

Биосфера и превращение энергии. Живое вещество Земли не только зависит от условий жизни, но и само охватывает и перестраивает все химические процессы биосферы, в которой одновременно происходят поступление и потеря энергии. Энергетический баланс Земли слагается из различных источников. Главнейшие из них – солнечная и радиоактивная энергия. В ходе эволюции Земли радиоактивное вещество распадалось и 3 млрд. лет назад радиоактивной теплоты было в 18 раз больше. Тепло лучей Солнца, падающее на Землю, теперь значительно превосходит внутреннюю теплоту от радиоактивного распада.

Главнейшую роль в жизни на Земле играет непрерывно поступающий поток энергии Солнца: 10,5 · 1020 кДж/год (2,5 · 1020 ккал/год), 42% энергии Солнца отражается Землей в мировое пространство, 58% поглощается атмосферой и почвой.

Из этого количества Землей излучается более 20%, а 10% расходуется на испарение воды с поверхности Мирового океана. Падающая на Землю солнечная энергия аккумулируется зелеными растениями и поступает с ними в другие организмы.

Зеленые растения земного шара образуют в год около 100 млрд. т органических веществ, содержащих около 1,8 · 1018 кДж (45 · 1017 ккал) энергии. При этом они поглощают около 1,7 · 108 т углекислого газа, выделяют около 11,5 · 107 т кислорода и испаряют 1,6 · 1013 т воды. Солнце, его световые лучи – источник энергии на Земле, которая трансформируется в процессе фотосинтеза растениями, образующими органические вещества и освобождающими кислород. Образование органических веществ – эндотермический процесс, окисление их– экзотермический. Наряду с фотосинтезом в зеленых растениях на Земле происходит почти равное ему по масштабу окисление органических веществ в процессе дыхания, брожения и гниения с выделением теплоты, воды и углекислого газа. Частично энергия Солнца консервировалась в земной коре в остатках организмов: каменном угле, нефти, сапропеле (иле) и торфе.

Энергия излучения Солнца возбуждает на Земле грандиозные по своим масштабам климатические, геологические и биологические процессы. Под влиянием биосферы она преобразуется в различные формы энергии, вызывающие огромные по размерам и скорости превращения, миграции и круговороты веществ, увеличение и распространение биомассы. Грандиозность и взаимосвязанность круговорота веществ на планете Земля очевидна из следующего расчета. Без фотосинтеза растений в течение 100 лет содержание углекислого газа в воздухе значительно увеличилось бы, что привело бы к гибели людей и животных.

В биосфере в течение более 2 млрд. лет идут изменения. Границы биосферы расширяются, проникая в новые, ранее безжизненные области планеты. Биосфера охватывает весь земной шар. В нее входят все различные экосистемы (биогеоценозы).

Биосфера – грандиозная система всего живого вещества и круговоротов химических элементов на Земле, но система открытая, так как в нее извне постоянно вливается поток солнечной энергии.

1. Начертите по выбору схему круговорота в биосфере: H2O, CO2 или O2 пользуясь учебником химии. 2. Как происходит биогенная миграция атомов в биосфере? 3. Расскажите о поступлении энергии в биосферу. 4. Какое значение имеет круговорот веществ для существовании биосферы? 5. Какую роль в круговороте веществ и использовании энергии солнечного излучения играют растения, животные, микроорганизмы?