Круговорот веществ

Понятие о круговороте веществ

Круговорот веществ — это относительно повторяющиеся (циклические) взаимосвязанные химические, физические и биологические процессы превращения и перемещения веществ в природе.

Совокупность повторяющихся процессов превращения или перемещения веществ, имеющих циклический характер, называют круговоротом веществ.

Движущими силами круговорота служат потоки энергии Солнца (а также космоса) и деятельность живого вещества. С их помощью идет перемещение, концентрирование и перераспределение огромных масс химических элементов, вовлеченных зелеными растениями с помощью корневой системы и фотосинтеза в органические вещества живых существ. В химических связях органических веществ заключена энергия, поглощенная растением (продуцентом). Поэтому в биологическом круговороте веществ движется и энергия.

Круговорот веществ поддерживается в экосистеме планеты постоянным притоком все новых и новых порций вещества и энергии. Однако круговорота энергии не бывает. Энергия, согласно закону ее сохранения, не исчезает бесследно, а расходуется на жизнедеятельность организмов; при этом энергия переходит из одной формы в другую, обычно преобразуется в тепло и рассеивается в окружающем пространстве. Химические элементы, мигрируя в виде пищи от одного организма к другому, могут выходить в абиотическую среду и вновь вовлекаться автотрофами в круговорот. Потому вещества многократно движутся в круговороте жизни.

Поток энергии через экосистему однонаправлен, но химические элементы как элементы питания совершают в ней непрерывное циклическое движение.

В какой-то мере биологический круговорот веществ и поток энергии в биосфере напоминают вращение мельничного колеса (круговорот веществ) в струе быстротекущей воды (однонаправленный поток энергии).

Модель круговорота веществ и потока энергии в биосфере
Модель круговорота веществ и потока энергии в биосфере. Колесо символизирует круговорот веществ, а струя быстро текущей воды — поток энергии

Чтобы биосфера могла существовать, а процессы, протекающие в ней, не прекращались, должны постоянно функционировать круговороты биологически важных биогенных веществ. Биогенными являются элементы (атомы), которые обязательно входят в состав живых организмов, это C, H, O, N, P, S, K, Ca, Mg, Fe, Cu, Mn, Zn, Mo, B, Cl, Br, I. К самым важным биогенным элементам относятся первые шесть: C, H, O, N, P, S. Процессы синтеза и распада живого вещества не происходят на нашей планете один без другого, они идут только при наличии единого биологического круговорота атомов.

Непрерывный круговорот биогенных веществ — основное условие существования жизни и всей биосферы.

Типы круговоротов веществ в биосфере

На Земле различают два типа круговорота веществ: большой, или геологический, и малый, или биологический. Большой круговорот часто называют круговоротом воды.

Большим круговоротом, или геологическим, веществ называют обмен веществ между сушей и океаном, совершаемый водой. В настоящее время сухопутные части материков располагаются значительно выше океанов, поэтому океанические воды, выпавшие в виде осадков на сушу, быстро или медленно стекают в океан. Однако вода не просто стекает вниз, в океан, проходя сквозь толщу литосферы (педосферы), она свершает при этом большую работу: растворяет минералы, разрушает горные породы, переносит растворенные вещества и взвешенные частицы в океан. Таким путем в литосфере происходит постоянное разрушение и вынос веществ, а в океане идет их накопление в виде осадков (осадочных пород). Но земная кора находится в постоянном горизонтальном и вертикальном движении: благодаря движению материковых плит одни участки опускаются и заливаются водами морей и океанов, а другие поднимаются. В результате те вещества, что накопились в океане, оказываются на суше, а те, что образовывали поверхность континентов, - на дне моря. Спустя время (десятки и сотни тысяч лет) движение земной коры может пойти в обратном направлении и, следовательно, один цикл большого глобального круговорота будет завершен и начнется другой его цикл.

Малым, или биологическим, круговоротом веществ называют обмен химическими элементами (атомами) между живыми организмами и косными компонентами биосферы: атмосферой, гидросферой и литосферой.

Напомним, что биологический круговорот характеризуется структурой из четырех обязательных взаимосвязанных компонентов: 1) запаса химических веществ и энергии; 2) продуцентов; 3) консументов; 4) редуцентов.

Организмы вовлекают атомы биогенных веществ из косной части биосферы в свои тела, где они вступают в различные биохимические реакции, а затем выделяют их во внешнюю среду в виде продуктов жизнедеятельности или распада. В итоге все живое население биосферы и окружающая среда, откуда организмы черпают средства для жизни и куда выделяют продукты своей жизнедеятельности, создают целостное, тесно связанное, взаимодействующее единство — экосистему. Организованная взаимосвязью организмов в глобальную экосистему, жизнь на планете продолжается уже миллионы лет.

Изменения массы живого вещества, его структуры, химизма определяют изменение характера биологического круговорота. Восходящую часть образует взаимодействие растений с окружающей абиотической средой, итогом чего является создание первичной продукции, а нисходящую — все звенья экосистемы, обеспечивающие преобразование синтезированной продукции до неорганических веществ. Устойчивой оказывается та экосистема, в которой восходящий поток круговорота уравновешивается нисходящим потоком.

Геологический и биологический круговороты тесно взаимодействуют между собой, порой сливаясь воедино. Однако структурно и функционально они существенно отличатся друг от друга. Биологический круговорот отличается от геологического следующими особенностями:

  1. причиной и движущей силой биологического круговорота является различие в характере питания продуцентов и редуцентов, а геологического — круговорот воды между океаном и сушей;
  2. в биологическом круговороте участвуют только биогенные элементы, тогда как в геологическом — все химические элементы, находящиеся в земной коре;
  3. продолжительность циклов химических элементов в биологическом круговороте кратковременна — год, несколько лет, десятки или сотни лет, а продолжительность цикла в геологическом круговороте равна десяткам и сотням тысяч лет.

Скорости круговорота некоторых биогенных элементов
Скорости круговорота некоторых биогенных элементов

Биогеохимические циклы

В биологическом круговороте веществ биосферы выделяют несколько циклов химических элементов. Циклами называют более или менее замкнутые пути циркуляции биогенных элементов из внешней среды в организмы и опять во внешнюю среду. В их прослеживают циркуляцию движения отдельных жизненно важных химических элементов (например, C, O, H, N, S, P, Ca, K, Si и др.) и направленность потока энергии, характерной для биогеоценозов биосферы, ее регионов или для биосферы в целом. Биогенные элементы разными путями попеременно переходят из живого вещества в неорганическую материю, а из нее вновь идут в живое вещество. Скорости круговорота биогенных элементов различны и зависят как от роли, которую они играют в жизнедеятельности организмов, так и от количества этих элементов в земной коре. Например, углерод, содержащийся в углекислом газе атмосферы, совершает полный цикл за 300 лет, атмосферный кислород за 2 тыс. лет, а водород воды за 2 млн лет.

Отдельные биогеохимические циклы элементов сливаются в общий глобальный биологический круговорот биосферы. Все биогеохимические циклы не замкнуты. При этом каждый новый цикл не является точным построением предыдущего, так как природа не остается неизменной. Одни вещества и солнечная энергия вовлекаются в круговорот, но энергия в виде тепла уходит, рассеивается в пространстве. Нередко и органические вещества выходят из круговорота в окружающую среду в виде залежей — осадочных пород биогенного происхождения, а также в виде биокосного вещества (известняки, каменный уголь, торф, нефть и др.).