Роль геохимических циклов в биосфере
H3 и т.д.
Эта минерализация идет и в самих растениях, которые при дыхании окисляют
органические вещества до CO2 и H2O. Гораздо энергичнее минерализуют
органические вещества животные и еще более энергично – микроорганизмы.
Противоположные процессы образования и разрушения органических веществ
в биосфере не могут существовать один без другого, они образуют единый
биологический круговорот атомов. Рассмотрим этот круговорот с точки зрения
трех известных нам критериев: превращения вещества, энергии, накопления
информации.
Продолжительность отдельных циклов биологического круговорота атомов
очень различна. Немногие недели живут растения-эфемеры, образующие весной
пышный ковер в пустынях Средней Азии. И за это время они успевают накопить
органическое вещество, которое в начале лета, после их смерти, в почве
быстро разлагается до исходных продуктов – CO2, H2O и т.д. Но уже в лесном
ландшафте часть атомов углерода, заключенных в древесине, окислится до CO2
только после смерти деревьев, т.е. через десятки или сотни лет. Наконец,
если органическое вещество будет захоронено в осадочных породах и
превратится в уголь, окисление которого произойдет только через несколько
геологических периодов, круговорот углерода растянется на миллионы лет.
Круговорот углерода в биосфере (рис.1)
Круговороты не замкнуты. Каждый новый цикл не является точным
повторением предыдущего, природа не остается неизменной. Вот характерный
пример. Представим себе озеро в лесной зоне с травами, растущими в
прибрежной полосе (осоки, тростники и др.), богатое рыбой. После каждого
годичного цикла круговорота часть атомов углерода, водорода и других
элементов, заключенных в органических веществах, не переходит в минеральные
соединения, а захороняется на дне озера в форме органического ила –
сапропеля. Постепенно озеро мелеет, наконец, наступает момент, когда его
котловина полностью зарастает травами и заполняется органическими
остатками, озеро превращается в болото. Такова судьба большинства лесных
озер, история многих болот.
Можно сказать, что поступательное развитие в биосфере осуществляется
через систему круговоротов.
В процессе минерализации органических веществ освобождается энергия,
которая была поглощена при фотосинтезе. Она освобождается в виде тепла
(вспомним, например, разогревание и даже самовозгорание недостаточно
высушенного сена), но главным образом в виде химической энергии, носителями
которой являются природные воды. Обогащаясь такими продуктами
минерализации, как CO2, гумусовые кислоты, NH3, SO2-4, H2S, воды становятся
химически высокоактивными, они разрушают («выветривают») горные породы.
Таким образом, с энергетической точки зрения биологический круговорот
атомов переводит энергию солнечных лучей в другие виды энергии, за счет
которых в биосфере выполняется большая работа. Особенно следует отметить
превращение солнечной энергии в химическую энергию природных вод и газов.
Нетрудно убедиться также, что в ходе биологического круговорота атомов
происходит передача информации, создание новой информации, ее переработка и
захоронение, т.е. это также и информационный процесс. Чем энергичнее
протекает биологический круговорот атомов, тем большее количество
информации при этом перерабатывается.
Положение о круговороте атомов считается одним из основных законов
геохимии биосферы – законом биологического круговорота атомов, который
сводится к следующему – в биосфере атомы участвуют в биологических
круговоротах, в ходе которых они поглощаются живым веществом и заряжаются
энергией, затем покидают живое вещество, отдавая накопленную энергию в
окружающую среду. За счет этой биогенной энергии осуществляются многие
химические реакции. Главными носителями энергии являются природные воды. В
результате биологического круговорота атомов происходит изменение
химического состава биосферы, само поступательное развитие биосферы
осуществляется через систему круговоротов.
Круговорот углерода в биосфере (рис.2)
Отжившие растения и животные разлагаются микроорганизмами, в результате
чего углерод мертвого органического вещества окисляется до углекислого газа
и снова попадает в атмосферу. Подобный круговорот углерода совершается и в
водной среде. Фиксированный в растениях углерод в значительном количестве
потребляется животными, которые, в свою очередь, при дыхании выделяют его в
виде углекислого газа. Согласно имеющимся данным, все зеленые растения
Земли ежегодно извлекают из атмосферы до 300 млрд. т. углекислого газа (100
млрд. т. углерода), что совпадает с итоговым поступлением этого газа в
атмосферу от разных источников – дыхания растений и животных,
промышленности, транспорта и т.п. При этом годичный круговорот массы
углерода на суше определяется как массой составляющих его звеньев биосферы,
так и количеством углерода, захватываемого каждым звеном (в тоннах за год):
|Суммарный захват фотосинтезом |60?109 |
|Возврат от дыхания в процессе |48?109 |
|разложения органического вещества | |
|Поступление в гумосферу и консервация |10?109 |
|в многолетних фитоценозах | |
|Захоронение в осадочной толще |1?109 |
|литосферы, включая реакции углекислого| |
|газа с горными породами | |
|Поступление от сжигания топлива |4?109 |
Круговорот углерода в гидросфере является более сложным по сравнению с
континентальным, поскольку возврат этого элемента в форме углекислого газа
зависит от поступления кислорода в верхние слои воды как из атмосферы, так
и из нижележащей толщи. В целом показатели годичного круговорота массы
углерода в Мировом океане почти в 2 раза ниже, чем на суше:
|Суммарный захват в процессе |30?109 |
|фотосинтеза | |
|Возврат в водную среду от дыхания и |26?109 |
|разложения органического вещества | |
|Выпадение в донный осадок |1,5?109 |
|Поступление из атмосферы от сжигания |1?109 |
|топлива | |
|То же с речным стоком |0,6?109 |
|Переход в растворенное органическое |0,9?109 |
|вещество | |
Между сушей и Мировым океаном происходит постоянная миграция углерода.
Преобладает вынос этого элемента в форме карбонатных и органических
соединений с суши в океан. Поступление углерода из Мирового океана на сушу
совершается в несравненно меньших количествах, и то лишь в форме
углекислого газа, диффундирующего в атмосферу и переносимого воздушными
течениями.
Суммарное количество углекислого газа в атмосфере планеты составляет не
менее 2,3?1012 т., в то время как содержание его в Мировом океане
оценивается в 1,3?1014 т. В литосфере в связанном состоянии находится
2?1017 т. углекислого газа. Значительное количество углекислого газа
содержится и в живом веществе биосферы (около 1,5?1012 т.), т.е. почти
столько, сколько во всей атмосфере. Углекислый газ атмосферы и гидросферы
обменивается и обновляется живыми организмами за 395 лет.
6. Круговорот воды
Наряду с биологическим круговоротом атомов в биосфере протекает и
другой грандиозный круговорот – воды. Это и водообмен океаны-материки,
когда вода, испаряясь с поверхности океана, переносится ветрами на
континенты и с речным стоком снова возвращается в океан, и маленькие
круговороты отдельного ландшафта, когда испарение воды в теплую погоду
приводит к облачности и выпадению осадков. С энергетической точки зрения
здесь во всех случаях имеет место одна и та же последовательность:
солнечная энергия, затраченная на испарение воды, заряжает ее молекулы
энергией, которая после конденсации паров воды и выпадения осадков на
земную поверхность реализуется в кинетической энергии рек и ручьев. Так же,
как и для отдельного живого организма, геологический эффект деятельности
каждой дождевой капли, небольшого ручья – ничтожны, но, суммируясь, эти
капли и ручьи дают могучие реки, которые за геологические периоды разрушают
горные хребты.
Круговорот воды до известной степени можно сравнивать с биологическим
круговоротом, так как источником энергии в обоих случаях служит излучение
Солнца. Только круговорот воды – главный агент механической работы, а
биологический – химической. Правда, вода тоже выполняет химическую работу
(растворение, выветривание и т.д.), но она осуществляется при участии
живого вещества: или за счет организмов, находящихся в водах, или за счет
продуктов их жизнедеятельности – CO2, гумуса и других химически активных
веществ.
Круговорот воды в геологическом времени не замкнут. Большие массы воды
поступают в биосферу при вулканических извержениях, а также из зоны
метаморфизма в результате отжатия в
| |  скачать работу |
Роль геохимических циклов в биосфере |
