В чем заключается гомеостаз биосферы?
Устойчивость биосферы. Биосфера как саморегулирующаяся система обладает устойчивым динамическим равновесием, т. е. гомеостазом.
Как открытая система биосфера только тогда устойчива, когда имеет достаточное внутреннее разнообразие. Ее разнообразие проявляется в неоднородности климатических зон, сложном рельефе Земли, многообразии биогеоценозов и видов организмов.
Устойчивость биосферы обусловливается одновременно постоянством и изменчивостью живого вещества и его окружения. Согласно палеонтологическим данным, живое вещество существует на Земле около 3,8 млрд лет, что свидетельствует об устойчивости (гомеостазе) биосферы.
Особенности биологического круговорота в биосфере. Потоки энергии не могут быть повторно использованы на Земле, так как в конечном итоге все виды энергии превращаются в тепловую энергию и уходят в космическое пространство.
Земля, в силу своих размеров, не способна удерживать гравитационными силами только водород и гелий. Остальные элементы задерживаются на Земле благодаря постоянным круговоротам, происходящим в том числе с участием живых организмов.
С образованием на Земле живого вещества химические элементы непрерывно циркулируют в биосфере, переходя из внешней среды в организмы, из них – вновь во внешнюю среду.
Круговорот углерода. Миграция углерода в биосфере протекает двумя путями. Один путь включает поглощение углекислого газа наземными растениями и некоторыми бактериями в процессе фотосинтеза и хемосинтеза, выделение в атмосферу в процессе дыхания или последующее «захоронение» в виде торфа, угля, нефти и осадочных пород. Ископаемое топливо возвращается в атмосферу при горении (рис. 52).
Рис. 52. Схема биологического круговорота
Другой путь миграции углерода заключается в растворении углекислого газа в водах Мирового океана. Здесь углекислый газ переходит в угольную кислоту (H2CO3) и ее анионы: HCO3 — , CO3 2- , а затем биогенным способом или на основе химических реакций соединяется с кальцием, образуя огромные массы карбоната кальция (CaCO3). В результате этого появляются мощные по толщине карбонатные породы. Накоплению карбоната кальция способствуют диатомовые водоросли, одноклеточные животные с известковым скелетом.
Круговорот азота. Несмотря на то что в атмосферном воздухе много газообразного азота (78%), для растений и животных он не доступен. Растениям энергетически более выгодно использовать азот, входящий в состав минеральных солей, а животным – получать азот в составе белков.
Процесс связывания газообразного азота осуществляют бактерии – азотфиксаторы, живущие в почве и на корнях бобовых растений (клубеньковые бактерии). Азот почвы потребляют растения, всасывая корнями растворы минеральных солей. Животные потребляют азот в составе растительных белков. Белки мертвых животных и растений разлагают бактерии до минерального состояния. Возврат азота происходит в результате вымывания его из почвы и выделения в атмосферу в виде чистого азота или его оксидов в основном благодаря деятельности микроорганизмов (см. рис. 52).
Минеральные соли азота, попадающие в водоемы, проходят по пищевым цепям: водное растение – водное животное – микроорганизмы. Затем они возвращается в атмосферу. Таким образом, круговорот азота включает процессы, которые осуществляются благодаря деятельности бактерий.
К таким процессам относятся аммонификация, нитрификация, денитрификация, азотфиксация.
Аммонификация – процесс разложения белков (гниение) с образованием аммиака, осуществляемый редуцентами. При этом происходит минерализация органического вещества.
Нитрификация – окисление солей аммиака в соли азотной кислоты. Этот процесс идет поэтапно: первый этап – соли аммиака превращаются в соли азотистой кислоты (нитриты); второй этап – нитриты превращаются в нитраты (соли азотной кислоты). Осуществляется нитрификация почвенными нитрифицирующими бактериями.
Денитрификация – процесс разложения солей азотной кислоты до газообразного азота, осуществляемый денитрифицирующими бактериями.
Азотфиксация – процессы образования азотистых соединений путем фиксации (усвоения) атмосферного азота свободноживущими почвенными бактериями или клубеньковыми бактериями, живущими в симбиозе с корнями бобовых растений.
Человек своей хозяйственной деятельностью может существенно нарушать равновесие цикла круговорота азота. Например, при распашке земель резко (примерно в 5 раз) снижается активность процесса фиксации азота микроорганизмами и, наоборот, активизируются процессы денитрификации (разложения). В результате в почве значительно уменьшается содержание азота, что ведет к снижению почвенного плодородия.
Круговорот фосфора. Основная масса фосфора сосредоточена в минеральной части литосферы.
Круговорот фосфора состоит из двух частей – наземной и морской. В горных породах фосфор находится в апатитах. В процессе выветривания горных пород фосфор в составе минеральных соединений переносится природными водами в Мировой океан. Здесь он переходит в состав фитопланктона (главным образом одноклеточных зеленых водорослей), который служит пищей водным животным. Фосфор в виде солей накапливается в тканях морских животных (в скелете), часть его уходит в глубокие слои и накапливается в илах.
Возврат фосфора на сушу может происходить при поднятии земной коры. Определенное количество фосфора переносится из водной среды на сушу морскими птицами и частично – при промысле морепродуктов.
Из почвы фосфор извлекается наземными растениями и преобразуется ими в фосфорсодержащие органические вещества. С мертвыми остатками организмов фосфор вновь возвращается в почву.
Вопросы и задания
- Как вы думаете, почему биосфера представляет собой открытую саморегулирующуюся систему?
- Чем обеспечивается устойчивость биосферы?
- В чем состоят особенности биологического круговорота?
- Каким образом в биосфере происходит круговорот углерода?
- Какие организмы участвуют в круговороте азота?
- Составьте схему круговорота фосфора в биосфере.
