Принципы функционирования экосистем

Первый, основной, принцип функционирования экосистем: получение ресурсов и избавление от отходов происходят в рамках круговорота всех элементов.Таким образом, главная особенность природной экосистемы состоит в том, что в ней происходит круговорот веществ. Основной причиной неустойчивости экосистемы является несбалансированность круговорота веществ.

Второй основной принцип функционирования экосистем: существование за счет не загрязняющей воздух и практически вечной солнечной энергии, количество которой постоянно и избыточно.

Функциями экосистем являются:

- синтез органического вещества;

- деструкция органического вещества;

- круговорот веществ;

- поток энергии для жизнедеятельности организмов.

В каждую экосистему входят группы организмов разных видов, различаемых по способу питания:

- автотрофы(продуценты);

- гетеротрофы (консументы, детритофаги, редуценты).

3.2.4. Биологическая продуктивность экосистем

Все живые компоненты экосистемы - продуценты, консументы и редуценты - образуют биомассу («живой вес»). Биомасса - это органическое вещество, имеющееся в экосистеме в данный конкретный момент. Биомассу выражают в единицах массы на единицу площади, например [ тонна/га, г/кв.м ].

Прирост биомассы за единицу времени называется продуктивностью экосистемы. Продуктивность выражают в единицах массы на единицу площади за единицу времени, например [ тонна/га/год, г/кв.м./месяц ].

В связи с тем, что органическое вещество создается на разных трофических уровнях, различают и уровни продуцирования, на которых создается первичная и вторичная продукция.

Органическая масса, создаваемая продуцентами в процессе фото- и хемосинтеза в единицу времени, называется первичной продукцией, а прирост за единицу времени биомассы, создаваемой консументами - вторичной продукцией.

Первичную продукцию также подразделяют на два уровня -валовую и чистую продукцию.

Валовая первичная продукция - общая биомасса, созданная растениями (продуцентами) в процессе фиксирования лучистой энергии Солнца (фотосинтеза). При этом энергия Солнца переходит в химическую энергию связей органических веществ.

6СО₂ + 12Н₂О + энергия Солнца → С₆H₁₂О₆ + 6О₂↑+ 6H₂О

Эффективность усвоения растениями энергии Солнца (КПД фотосинтеза) составляет 0,1- 5%.

Часть образованных органических веществ окисляется, при этом высвобождается энергия. Эта энергия (так называемые «траты на дыхание») расходуется на поддержание жизнедеятельности растений (добычи из почвы воды, солей). Растения тратят на «дыхание» от 40 до 70% от валовой продукции.

Та часть валовой продукции, которая осталась после трат на «дыхание», называется чистой первичной продукцией. Чистая первичная продукция («урожай» экосистемы - прирост растений, плоды, семена) или служит кормом консументам и редуцентам, или накапливается в биосфере.

Энергия, содержащаяся в корме, расходуется на жизнедеятельность консументов и частично выделяется наружу в виде непереваренных остатков - экскрементов, также содержащих некоторое количество энергии.

Количество энергии, превращенное в биомассу всех консументов, называют вторичной продукцией экосистемы.

В стабильных экосистемах биомасса остается постоянной, то есть вся продукция расходуется в цепях питания. Если скорость потребления биомассы консументами отстает от скорости прироста растений, происходит постепенное накопление мертвого органического вещества (заторфовывание болот, образование лесной подстилки).

Самой высокой продуктивностью биомассы обладают тропические леса, самой низкой - пустыни и тундры.

Поскольку на питание консументов идет только чистая первичная продукция, целесообразно увеличивать ее долю в валовой продукции, то есть снижать «траты на дыхание». С этой целью необходимо прикладывать дополнительные усилия (энергию) при выращивании растений (проводить рыхление, полив, прополку). Дополнительный вклад энергии называется энергетической субсидией, а ведение сельского хозяйства с применением энергетических субсидий называют интенсивным, или индустриальным. Интенсивное ведение сельского хозяйства является очень дорогостоящим, так как при этом затрачиваются огромные количества энергии, что делает высокие уровни продукции невыгодными. Эту закономерность называют «законом снижения эффективности энергозатрат» К. Тюрго.

3.2.5. Перенос энергии в экосистемах

Энергия необходима организмам для их жизнедеятельности: роста, развития, размножения.

Главным источником энергии для всех экосистем Земли является Солнце. В соответствии с I законом термодинамики зеленые растения (автотрофы) в процессе фотосинтеза превращают энергию солнечного света в химическую энергию, заключенную в молекулах синтезированных ими органических веществ.

Фотосинтез - это процесс образования (синтеза) органических соединений из неорганических веществ, идущий за счет световой энергии. При фотосинтезе за счет энергии Солнца углерод включается в органические соединения, составляющие основу живых организмов, а кислород высвобождается и обеспечивает обогащение атмосферы Земли.

6СО₂ + 12Н₂О + энергия → С₆Н₁₂О₆ + 6О₂↑+ 6Н₂О

Для осуществления фотосинтеза растениям необходим хлорофилл - вещество зеленого цвета, поглощающее солнечные лучи. Хлорофилл содержится во внутренних мембранах хлоропластов - специальных отделах растительной клетки.

Фотосинтезпроходит в две стадии: световую и темновую. В световой фазе фотосинтеза энергия солнечного излучения используется хлоропластами для синтеза АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты) - вещества, особо богатого энергией, используемого клеткой для всех дальнейших процессов жизнедеятельности. Световая фаза идет только при свете, при этом происходит фотолиз воды с образованием молекулярного кислорода, электронов и протонов по уравнению:

2Н₂О→4Н⁺+О₂↑+4 е

В темновой фазе из диоксида углерода и водорода при участии ферментов образуется глюкоза:

6СО₂+24Н⁺ С₆Н₁₂О₆+6Н₂О

Углеводы, получившиеся в процессе фотосинтеза, используются как исходный материал при последующем синтезе других органических соединений.

Организмы-гетеротрофы разрывают химические связи в сложных молекулах пищевых веществ, получая при этом энергию и простые вещества, и строят свои структуры. Реакция окисления пищи вдыхаемым кислородом происходит по реакции, обратной реакции фотосинтеза:

С₆ Н₁₂ О₆ + 6О₂ → 6СО₂ + 12Н₂О + {энергия}

Помимо автотрофов органическое вещество в природе могут синтезировать хемотрофы(хемоавтотрофы) – бактерии, использующие не световую, а химическую энергию, получаемую ими за счет окисления неорганических соединений (серы, водорода, аммиака, азота, железа и др.). К хемосинтезу способны только хемосинтезирующие бактерии (нитрофицирующие, водородные, железобактерии и др.).

Так, например, нитрофицирующие бактерии окисляют аммиак до азотной кислоты по уравнению:

3NH₃+3O₂→2HNO₂+2H₂O+энергия.

Высвобождающаяся в ходе реакций энергия запасается бактериями в виде молекул АТФ и используется для синтеза органических соединений.

Среди бактерий-хемотрофов много анаэробов, которые не нуждаются в контакте с атмосферой, и даже облигатных анаэробов, гибнущих в кислородной атмосфере.

Хемосинтезирующие бактерии играют важную роль в биосфере. Они участвуют в очистке сточных вод, способствуют накоплению в почве минеральных веществ, способствующих увеличению плодородия почв.

При переносе энергии с одного трофического уровня на другой превращения энергии идут в одном направлении (энергия убывает), поэтому можно говорить о потоке энергии. Потоки энергии подчиняются Второму закону термодинамики согласно которому в закрытых системах энергия стремится распределиться равномерно, т.е. система стремится к состоянию максимальной энтропии (разупорядочению). Однако живые тела, экосистемы и биосфера в целом способны создавать и поддерживать состояние с высокой степенью внутренней упорядоченности, т.е. состояния с низкой энтропией. «Средство, при помощи которого организм поддерживает себя постоянно на достаточно высоком уровне упорядоченности (на низком уровне энтропии), состоит в непрерывном извлечении упорядоченности из окружающей его среды» (Э.Шредингер). Другими словами, живой организм, для которого состояние максимальной энтропии означает смерть, извлекает «отрицательную энтропию» из окружающей среды, тем самым разрушая ее.

Более низкая энтропия, чем в окружающей среде, является важнейшим термодинамическим свойством живых систем, их отличием от неживых предметов, которые находятся в равновесии со средой.

В соответствии со вторым законом термодинамики при движении энергии по пищевой цепи на каждом этапе часть ее теряется, и на каждый новый этап цепи поступает в среднем 10% энергии с предыдущего. Эту закономерность называют «правилом 10%» Р. Линдемана. В итоге через некоторое число этапов вся энергия оказывается безвозвратно рассеянной в пространстве, что ограничивает число звеньев пищевой цепи до 4 - 6.

3.2.6. Устойчивость экосистем

Устойчивое состояние экосистем, характеризуемое динамическим равновесием между рождаемостью и смертностью, потреблением и расходом вещества и энергии, называется гомеостазом.

В учебной литературе для объяснения механизма сохранения гомеостаза в экосистеме при воздействии на неё негативных факторов, часто приводится иллюстрация к гомеостазу сообщества «волк-олень». Так, если в системе олень-волк численность оленей растет, то за счет этого и волк может увеличить свою численность, не давая оленям слишком быстро размножаться и истребить слишком большое количество растений-продуцентов. Но так как любая экосистемавходит в иерархию (соподчиненность) экосистем, то она постоянно подвергается внешним воздействиям, стремящимся вывести ее из равновесия. Если это влияние не слишком грубо, то в ходе экологического дублирования нарушенные связи заменяются другими и процесс передачи вещества и энергии продолжается. (Засуха - снижается продуктивность растений - уменьшение количества и ухудшение упитанности оленей - тогда волки переходят на питание другим видом животных. Если это невозможно, то место волка займет, например, более всеядный медведь). Те особи, для которых помехи оказались непреодолимыми, погибнут, а более стойкие приспособятся и передадут наследственную информацию потомкам. Помехи способствуют эволюции экосистемы в стороны ее совершенствования. Описанный процесс отражает действие закона внутреннего динамического равновесия, согласно которому вещество, энергия, информация и качество отдельных природных систем и их иерархии настолько связаны, что любое изменение одного из этих показателей вызывает изменение всех других показателей. В соответствии с принципом Ле Шателье - Брауна, эти изменения происходят в направлении, при котором эффект внешнего воздействия ослабляется, т.е. в направлении устойчивости. Таким образом, экосистема сопротивляется воздействиям, нарушающим ее стабильность.

Система тем надежнее, стабильнее, чем больше различных видов в ней обитает (большое биоразнообразие) и, следовательно, чем больше имеется возможностей для экологического дублирования, тем шире пищевая цепь.

Одним из механизмов поддержания устойчивости биоценозов является экологическое дублирование. Если какой-то вид исчезает, то его место в биоценозе занимает другой со схожим типом питания. Согласно «Правилу экологического дублирования», крупные организмы исчезают раньше и их место занимают мелкие; эволюционно менее организованные сменяют более высокоорганизованных; всегда побеждают те, кто быстрее размножается и изменяется генетически.

3.2.7. Биоразнообразие и его значение

Биоразнообразие – (биологическое разнообразие) - означает разнообразие живых организмов во всех его проявлениях: от генов до биосферы. Все живое генетически различно и имеет тенденцию к увеличению биологической разнородности. Двух совершенно одинаковых особей в природе нет, кроме однояйцевых близнецов и клонов («Закон генетического разнообразия»). Но чаще всего под биоразнообразием понимают разнообразие видов (видовое разнообразие).

Вид - это совокупность особей, сходных между собой, населяющих определенный ареал, способных скрещиваться между собой, давать плодовитое потомство, похожее на родителей и отличающихся от других подобных совокупностей.

Видовое разнообразиеотражает разнообразие живых организмов (растений, животных, грибов и микроорганизмов). В настоящее время описано примерно 1,5 - 1,7 млн. видов, хотя их общее число, по некоторым оценкам, составляет до 50 млн.

Распределениевидов по поверхности суши неравномерно. Согласно правилу Уоллеса, «по мере продвижения с севера на юг» наблюдается увеличение видового разнообразия организмов. Это касается как видов, так и составляемых ими сообществ: в тропиках значительно больше абсолютное число видов, чем на Севере, и в составе южных сообществ их также намного больше. Разнообразие видов на суше максимально в тропической зоне и уменьшается с увеличением широты. Самые богатые видовым разнообразием экосистемы - дождевые тропические леса, которые занимают около 7 % поверхности планеты и содержат более 90 % всех видов.

На Земле постоянно происходило возникновение и исчезновение видов - все виды имеют конечное время существования. Вымирание компенсировалось появлением новых видов («Правило константности числа видов в биосфере»).

В последние десятилетия происходит сокращение биологического разнообразия за счет вымирания и уничтожения видов. Основной причиной сокращения видов являются: антропогенные воздействия (т.е. деятельность человека: вырубка лесов, увеличение сельскохозяйственных угодий, прокладка новых дорог, строительство и т.д.). При этом быстрее вымирают более специализированные формы, так как их генетические резервы для дальнейшей адаптации снижены (Правило О.Марша)

Сильнейшую угрозу для большинства диких видов в настоящее время представляет уничтожение, сужение и разделение ареалов их обитанияв результате деятельности человека.

Главной причиной снижения численности крупных млекопитающих (слонов, носорогов) в странах Азии и Африки является их чрезмерная добыча. А торговля экзотическими животными и растениями: ведет к их массовой гибели при транспортировке.

По официальным данным, в настоящее время на Земле 50 биологических видов исчезают ежечасно.

Главная причина необходимости сохранения биоразнообразия состоит в том, что оно выполняет ведущую роль в обеспечении устойчивости экосистем и биосферы в целом (поглощение загрязнений, стабилизация климата, обеспечение пригодных для жизни условий). Биоразнообразие выполняет регулирующую функцию в осуществлении всех биогеохимических, климатических и других процессов на Земле. Каждый вид, каким бы незначительным он не казался, вносит свой вклад в обеспечение устойчивости не только "родной" локальной экосистемы, но и биосферы в целом. Каждый вид вносит свой вклад в разнообразие - с этой точки зрения не существует бесполезных и вредных видов.

При увеличении биоразнообразия устойчивость сообщества к изменяющимся условиям среды повышается.

Сокращение видового разнообразия животных и растений ведет к упрощению и снижению устойчивости экосистем. Примером таких систем являются агробиоценозы.

Кроме того, биоразнообразие обеспечивает потребность в биологических ресурсах для удовлетворения нужд человечества (пища, материалы, лекарства и др.), да и с этической точки зрения - жизнь самоценна.

3.2.8. Динамика экосистем

Стремясь к поддержанию гомеостаза, экосистемы тем не менее способны к изменениям, развитию, переходу от более простых к более сложным формам.

Изменения в сообществах могут быть циклическими и поступательными.

Циклические изменения- периодические изменения в биоценозе (суточные, сезонные, многолетние), при которых биоценозвозвращается к исходному состоянию.

Суточные циклы связанны с изменением освещенности, температуры, влажности и других экологических факторов в течение суток и наиболее резко выражены в условиях континентального климата. Суточные ритмы проявляются в изменении состояния и активности живых организмов.

Сезонная цикличность связанна с изменением экологических факторов в течение года и наиболее сильно выражена в высоких широтах, где велик контраст зимы и лета. Листопад относится, например, к явлениям, характеризующимся сезонным ритмом. Сезонная изменчивость проявляется не только в изменении состояния и активности, но и количественного соотношения отдельных видов. На определенный период многие виды выключаются из жизни сообщества, впадая в спячку, оцепенение, перекочевывая или улетая в другие районы.

Многолетняя изменчивость связана с флуктуациями климата или другими внешними факторами (степень разлива рек), либо с внутренними причинами (особенности жизненного цикла растений-эдификаторов, повторение массового размножения животных).

Поступательные изменения - изменения в биоценозе, в конечном счет приводящие к смене этого сообщества другим.

3.2.9. Сукцессия

Сукцессия- последовательная смена биоценозов (экосистем), выраженная в изменении видового состава и структуры сообщества.

Последовательный ряд сменяющих друг друга в сукцессии сообществ называется сукцессионной серией (или сукцессионным рядом) (рис. 21).

К сукцессиям относятся опустынивание степей, зарастание озер и образование болот, и другие.

В зависимости от причин, вызвавших смену биоценоза, сукцессии делят на природные и антропогенные.

Природные сукцессии происходят под действием естественных причин, не связанных с деятельностью человека, например, зарастание озера с непроточной или слабопроточной водой.

Антропогенные сукцессии обусловлены деятельностью человека, например, изменение лесных экосистем после вырубки леса.

Аутогенные сукцессии (самопорождающиеся) возникают вследствие внутренних причин (изменения среды под действием сообщества).

Аллогенные сукцессии (порожденные извне) – вызваны внешними причинами (например, изменения климата).

Рис. 21. Пример типичной наземной сукцессии

В зависимости от первоначально состояния субстрата, на котором развивается сукцессия, различают первичные и вторичные сукцессии.

Первичные сукцессии развиваются на субстрате, не занятом живыми организмами (на скалах, обрывах, сыпучих песках, в новых водоемах и т.п.). Первые поселяющиеся здесь организмы называются пионерами, их главной задачей является образование почвы. Пионерами являются обычно бактерии, накипные и другие виды лишайников и другие. У них нет корней, в почве они не нуждаются. Под действием ветра, солнца, воды и выделяемых пионерами органических кислот скала разрушается и образуется минеральная пыль, а затем почва, в которой поселяются членистоногие, грибы. Затем появляется субстрат, на котором могут расти растения с корнями. Это – начальный биоценозсукцессии – стадия первопоселенцев.

Вторичные сукцессии происходят на месте уже существующих биоценозов после их нарушения (в результате вырубки, пожара, вспашки, распашки степей, извержения вулкана, наводнения, осушения болот).

Сукцессия в процессе своего развития проходит ряд фаз и завершается образованием сообщества, именуемого «климакс-формацией», или просто климаксом.

Когда экосистемаприближается к состоянию климакса, в ней, в соответствии с «законом сукцессионного замедления», происходит замедление всех процессов развития, снижается разнообразие видов.

Согласно принципу «нулевого» максимума климаксные экосистемы, как правило, обладают максимальной биомассой и минимальной, практически нулевой продуктивностью, то есть термодинамически она наиболее рациональны. С приближением к климаксной фазе экологическая система становится более закрытой. Чем глубже нарушенность среды какого-нибудь пространства, тем на более ранних фазах оканчивается сукцессия.

4. БИОСФЕРНАЯ ЭКОЛОГИЯ

Этот раздел экологии выделен в связи с особой ролью биосферы в формировании жизни на Земле.

Термин «биосфера» был предложен австрийским геологом Э.Зюссом в 1875 году, трактовавшим его как область взаимодействия основных оболочек Земли, где встречаются живые организмы. Тем не менее, создателем науки «биосфера» следует считать выдающегося русского ученого В.И.Вернадского, который для обозначения совокупности всех живых организмов на Земле ввел понятие живого вещества и отвел ему роль главнейшей преобразовательной силы на планете Земля.

Границы биосферы. В большинстве случаев в качестве верхней теоретической границы биосферы указывают озоновый слой (толщиной несколько миллиметров) без уточнения его границ. Этот слой расположен на высотах 16-20 км.

Вся толща Мирового океана по современным представлениям полностью занята жизнью.

Нижняя граница биосферы проходит на глубине 3-4 км, максимум 6-7 км на суше и на 1-2 км ниже дна Мирового океана.

Состав биосферы: биотические (живые) и абиотические (неживые) компоненты.

Биотический компонент– это вся совокупность живых организмов (по В.И.Вернадскому – «живое вещество»).

Абиотический компонент- сочетание энергии, воды, определенных химических элементов и других неорганических условий, в которых существуют живые организмы.

Важнейшие свойства биосферы:

- целостность и дискретность – достигается круговоротом вещества и энергии;

- Централизованность - центральным звеном биосферы выступают живые организмы (живое вещество).

- устойчивость и саморегуляция – обеспечиваются гомеостатическими механизмами, которые подчиняются принципу Ле Шателье – Брауна: при действии на систему сил, выводящих ее из состояния устойчивого равновесия, последнее смещается в том направлении, при котором эффект этого воздействия ослабляется;

- ритмичность – повторяемость во времени тех или иных явлений. Ритмические явления не повторяются полностью в конце ритма того состояния природы, которое было в его начале. Именно этим и объясняется направленное развитие природных процессов;

- круговорот веществи энергозависимость. Жизнь в биосфере зависит от потока энергии и круговорота веществ между биотическими и абиотическими компонентами.

Основные процессы, благодаря которым потоки энергии проходят через организмы, это - фотосинтез, хемосинтез (см. раздел 3.2.5), дыхание и брожение. Первые два процесса обеспечивают синтез органических веществ за счет энергии света (фотосинтез) и окисления неорганических веществ (хемосинтез). В ходе дыхания и брожения органические вещества расщепляются, а заключенная в них энергия используется живыми организмами, но в конечном итоге переходит в тепло. Брожение, в отличие от дыхания не требует кислорода.

Учение о биосфере

Основополагающие принципы учения о биосфере, разработанные В. И. Вернадским, были опубликованы в работе «Биосфера» (1926), где рассматриваются компоненты биосферы, ее границы, функции живого вещества, эволюция биосферы Суть учения: биосфера – это качественно своеобразная оболочка Земли, развитие которой в значительной мере определяется деятельностью живых организмов.

В.И. Вернадский выделяет в биосфере глубоко отличные и в то же время генетически связанные части:

- живое вещество – живые организмы;

- биогенное вещество – продукты жизнедеятельности живых организмов (каменный уголь, нефтьи т.п.);

- косное вещество – горные породы (минералы, глины и т.д.);

- биокосное вещество - продукты распада и переработки горных и осадочных пород живыми организмами (почвы, ил, природные воды);

- радиоактивные вещества, получающиеся в результате распада радиоактивных элементов (радий, уран, торий и т. д.);

- рассеянные атомы (химические элементы), находящиеся в земной коре в рассеянном состоянии;

- вещество космического происхождения – метеориты, протоны, нейтроны, электроны.

Живое вещество -это совокупность живых организмов. На нашей планете оно существует в виде огромного множества организмов разнообразных форм и размеров. В настоящее время на Земле существует более 2 млн. видов организмов, из них около 0,5 млн. – растения, 1,5 млн. – животные и микроорганизмы (из них около 0,5 млн. насекомых). В соответствии с законом константности Вернадского «Количество (биомасса) живого вещества биосферы (для данного геологического периода) есть константа. Любое изменение количества живого вещества в одном из регионов биосферы неминуемо влечет за собой такую же по размеру его перемену в каком-либо регионе, но с обратным знаком. Полярные изменения могут быть использованы в процессах управления природой, но следует учитывать, что не всегда происходит адекватная замена. Обычно высокоразвитые виды и экосистемы вытесняются другими, стоящими на относительно эволюционно более низком уровне (крупные организмы – более мелкими), а полезные для человека формы – менее полезными, нейтральным или даже вредными.

Живое вещество распределено в биосфере неравномерно. Наибольшая концентрация жизни наблюдается на границах соприкосновения земных оболочек: атмосферы и литосферы, атмосферы и гидросферы, гидросферы и литосферы, а особенно на границах трех оболочек: атмосферы, литосферы, гидросферы. Эти места наибольшей концентрации жизни В. И. Вернадский назвал «пленками жизни». Размножением, питанием и дыханием живые организмы создают определенное давление на среду, меняют течение всех химических реакций, участвуют в круговороте всех химических элементов. Они выполняют в биосфере строго определенные функции для поддержания жизни на Земле, заполняют без пропусков всю планету. Живое вещество способно «растекаться» на поверхности планеты, оно с огромной скорость захватывает все незанятые участки, что обуславливает «давление жизни» на неживую природу. Характеризуется большим видовым разнообразием по сравнению с косным веществом.

Однако косное вещество резко преобладает по массе и объему, в то время как количество живого вещества составляет примерно 0,25% биосферы по массе. Итальянский естествоиспытатель Ф.Реди еще в XVI в утверждал, что живое вещество происходит только от живого, и между живым и неживым веществом существует непроходимая граница, хотя и имеется постоянное взаимодействие. В.И.Вернадский (1924) своим учением о биосфере утверждал, что между живым и косным веществом существует непрерывно идущая связь во время дыхания, питания, размножения живого вещества, миграции атомов из косных тел биосферы в живые и обратно. Эта зависимость выражена в «законе биогенной миграции атомов» В.И.Вернадского: миграция химических элементов на земной поверхности и в биосфере в целом осуществляется или при непосредственном участии живого вещества (биогенная миграция) или протекает в среде, геохимические особенности которой (О₂, СO₂, Н₂ и т.д.) обусловлены живым веществом – как тем, которое в настоящее время населяет биосферу, так и тем, которое было на Земле в течение всей геологической истории.
Согласно этому Закону, имеющему важное теоретическое и практическое значение, понимание общих химических процессов, протекавших и протекающих на поверхности суши, в атмосфере и в заселенных организмами глубинах литосферы и вод, а также геологических слоях, сложенных прошлой деятельностью организмов, невозможно без учета биотических и биогенных факторов, в том числе эволюционных. Поскольку люди воздействуют прежде всего на биосферу и ее живое население, они тем самым изменяют условия биогенной миграции атомов, создавая предпосылки для еще более глубоких химических перемен в исторической перспективе. Таким образом, процесс может стать саморазвивающимся, не зависящим от желания человека и практически, при глобальном размахе, неуправляемым. Отсюда одна из самых насущных потребностей – сохранение живого покрова Земли в относительно неизменном состоянии. Тот же Закон определяет и необходимость учета воздействий на биоту при любых проектах преобразования природы. В этих случаях происходят региональные и локальные изменения в химических процессах, ведущие при любых крупных ошибках к деградации среды – опустыниванию.

Выделяют следующие основные геохимические функции живого вещества, благодаря которым обеспечивается круговорот веществи превращение энергии, а, в итоге, целостность и устойчивое состояние биосферы:

- Энергетическая функция – связывание и запасание солнечной энергии в органическом веществе и последующее рассеяние энергии при потреблении и минерализации органического вещества. (При передаче энергии по пищевым цепям часть ее постепенно рассеивается, но часть вместе с остатками организмов переходит в ископаемое состояние, образуя запасы нефти, угля и др.) Эта функция связана с питанием, дыханием, размножением и другими процессами жизнедеятельности организмов.

- Газовая функция - способность живых организмов изменять и поддерживать определенный газовый состав среды обитания и всей атмосферы в целом. Ведущая роль принадлежит зеленым растениям, в тоже время большинство живых организмов в процессе дыхания используют кислород, выделяя в атмосферу углекислый газ.

- Окислительно-восстановительная функция – окисление и восстановление различных веществ с участием живых организмов, которые при этом получают энергию для жизненных процессов. Под влиянием живых организмов происходит интенсивная миграция атомов элементов с переменной валентностью (Mn, Fe, S, P, N и др.), создаются их новые соединения, происходит отложение сульфидов и минеральной серы, образование сероводорода и т.п.

- Концентрационная функция – «захват» из окружающей среды живыми организмами и накопление в них атомов биогенных химических элементов. Эта способность живого вещества повышает содержание атомов химических элементов в организмах по сравнению с окружающей средой на несколько порядков. Например, осока и хвощ содержат много кремния, морская капуста и щавель – йода, а коралловые рифы - кальция.

- Деструктивная функция – разрушение организмами и продуктами их жизнедеятельности, в том числе и после их смерти, как остатков органического вещества, так и косных веществ. Существенную роль здесь играют редуценты (деструкторы).

- Транспортная функция – перенос вещества и энергии в результате активной формы движения организмов. Такой перенос может осуществляться на огромные расстояния, например, при миграциях животных.

- Средообразующая функция – преобразование физико-химических параметров среды. Эта функция является интегральной, она представляет собой результат совместного действия других функций.

- Рассеивающая функция – противоположная концентрационной – рассеивание веществ в окружающей среде (выделение организмами экскрементов, смена покрова и т.п.)

- Информационная функция – накопление живыми организмами определенной информации, закрепление ее в наследственных структурах и передача последующим поколениям. Это одно из проявлений адаптационных механизмов.

В процессе развития биосферы выделяют три этапа:

- начальный этап формирования и существования биосферы, где воздействие человека на природу незначительно;

- биотехносфера, когда деятельность человеческого общества становится существенным фактором в биосфере, возникает проблема предотвращения необратимых негативных последствий в природе. Пути ее решения лежат в управлении процессами между человеком и природой так, чтобы они были взаимовыгодны;

- ноосфера – сфера разума. Это высшая стадия развития биосферы, когда разумная деятельность человека становится главным, определяющим фактором развития. В ноосфере человек становится крупной геологической силой, он перестраивает своим трудом и мыслью область своей жизни

Условиями, при которых В.И. Вернадский полагал возможным формирование и развитие процесса нооферогенеза, являются:

- заселение человеком всей планеты;

- резкое преобразование средств связи и обмена между странами;

- усиление связей, в том числе политических, между всеми странами Земли;

- начало преобладания геологической роли человека над другими геологическими процессами, протекающими в биосфере;

- расширение границ биосферы и выход в космос;

- открытие новых источников энергии;

- равенство людей всех рас и религий;

- увеличение роли народных масс в решении вопросов внешней и внутренней политики;

- свобода научной мысли и научного искания от давления религиозных, философских и политических построений и создание в государственном строе условий, благоприятных для свободной научной мысли;

- разумное преобразование первичной природы Земли с целью сделать ее способной удовлетворить все материальные, эстетические и духовные потребности численно возрастающего населения;

- исключение войн из жизни общества.

К сожалению, за время своего существования, человек сильно изменил биосферу, антропогенное изменение биосферы зашло слишком далеко. Биосфера превращается в техносферу, причем направленность техногенного воздействия прямо противоположно направленности эволюции биосферы. Необходимо помнить, что биосферу нельзя заменить искусственной средой («Закон незаменимости биосферы»).

Круговорот веществ

Для того, чтобы биосфера продолжала существовать и жизнь на Земле не прекращалась, должны постоянно осуществляться химические превращения её живого вещества. Иначе говоря, в биосфере должны постоянно происходить круговороты веществ.

В зависимости от движущей силы, с определенной долей условности, внутри круговорота веществ можно выделить геологический, биологический (биотический), биогеохимический и антропогенный круговороты.

Геологический круговорот (большой круговорот в природе) – круговорот веществ, движущей силой которого являются экзогенные и эндогенные геологические процессы. Эндогенные (процессы внутренней динамики) происходят под влиянием внутренней энергии Земли. Экзогенные (процессы внешней динамики) происходят под влиянием внешней энергии Солнца.

Биологический (биотический) круговорот(малый круговорот веществв биосфере) – круговорот веществ, движущей силой которого является деятельность живых организмов. Главным источником энергии является солнечная радиация, которая порождает фотосинтез.

Биогеохимический круговорот (биогеохимические циклы)– часть биологического круговорота, составленная обменными циклами биогенных элементов.

В экосистемах очень важна роль биогеохимических циклов Биогенные элементы — С, О₂, N₂, Р, S, СО₂, Н₂О и другие — в отличие от энергии удерживаются в экосистемах и совершают непрерывный круговорот из внешней среды в организмы и обратно во внешнюю среду. Эти замкнутые пути называют биогеохимическими циклами. В каждом круговороте различают два фонда: резервный, включающий большую массу движущихся веществ, в основном небиологических компонентов, и подвижный, или обменный, фонд — по характеру более активный, но менее продолжительный, отличительной особенностью которого является быстрый обмен между организмами и их непосредственным окружением.

Биогеохимические циклы можно подразделять на два типа:

1) круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере и гидросфере (океан).

2) осадочный цикл с резервным фондом в земной коре.

4.2.1. Круговорот азота

Азот составляет около 80% атмосферного воздуха и является крупнейшим резервуаром и предохранительным клапаном атмосферы. Однако большинство организмов не могут усваивать азот из воздуха. Между тем азот участвует в построении всех белков и нуклеиновых кислот. Усваивать азот из воздуха способны только некоторые организмы — бактерии, которые существуют в симбиозе с бобовыми растениями (горох, фасоль, соя). Они поселяются на корнях бобовых растений, образуя клубеньки, в которых и происходит химическая фиксация азота. Азот могут усваивать также сине-зеленые водоросли, называемые цианобактериями. Они образуют симбиоз с плавающим папоротником, который растет на заливаемых водой рисовых полях и до высадки рассады риса удобряет эти поля азотом. Первый этап фиксации атмосферного азота приводит к образованию аммиака и называется аммонификацией Аммиак используется растениями для синтеза аминокислот, из которых состоят белки. Второй этап фиксации азота микроорганизмами — нитрификация, при этом образовавшийся аммиак преобразуется в соли азотной кислоты — нитраты. Нитраты усваиваются корнями растений и транспортируются в листья, где происходит синтез белков. Процесс разложения белков, осуществляемый особой группой бактерий, называется денитрификацией. Распад идет сначала с образованием нитратов, потом аммиака и, наконец, молекулярного азота. Содержание азота в живых тканях составляет около 3% его содержания в обменных фондах экосистем. Общее время круговорота азота — примерно 100 лет.

Вмешательство человека в круговорот азота состоит в следующем:

- сжигание древесины или ископаемого топлива (тепловые электростанции, автомобильный транспорт, промышленность), в результате чего образуется оксид азота (NO). Оксид азота затем соединяется в атмосфере с кислородом и образует диоксид азота (NO₂), который при взаимодействии с водяным паром может образовывать азотную кислоту (HNO₃);

- производство азотных удобрений и их широкое применение;

- увеличение количества нитрат-ионов и ионов аммония в водных экосистемах при попадании в них загрязненных стоков с животноводческих ферм, смытых с полей азотных удобрений, а также очищенных и неочищенных коммунально-бытовых канализационных стоков.

Рис. 22. Упрощенная схема круговорота азота

Рис. 23. Графическое изображение круговорота азота

Существенные изменения в круговороте происходят и от разрушения органического вещества почв. Отрицательные последствия нарушения круговорота азота: загрязнение оксидами азота, аммиаком и другими соединениями атмосферного воздуха и воды, накопление нитритов и нитратов в пищевых продуктах. Оксиды азота принимают участие в образовании фотохимического смога. На рис. 22-23 показаны схемы круговорота азота.

4.2.2. Круговорот углерода

В круговороте СО₂ атмосферный фонд невелик по сравнению с запасами углерода в океанах, ископаемом топливе и других резервуарах земной коры.

Атмосфераинтенсивно обменивается СО₂ с Мировым океаном, где его в 60 раз больше, чем в атмосфере, так как СО₂ хорошо растворяется в воде (чем ниже температура, тем лучше растворимость). Океан действует как гигантский насос: поглощает СО₂ в холодных областях и частично выдувает в тропиках. Избыточное количество СО₂ в океане соединяется с водой, образуя угольную кислоту, соединяясь с Са, К, Nа она образует стабильные соединения в виде карбонатов, которые оседают на дно. Фитопланктон в океане в процессе фотосинтеза поглощает СО₂. Умирая, организмы попадают на дно и становятся частью осадочных пород. Эта часть углерода выключается из биологического круговорота и поступает в геологический круговорот веществ.

На рис. 24 и 25 представлены упрощенные схемы круговорота углерода.

Рис. 24. Упрощенная схема круговорота углерода

Рис. 25. Схема части углеродного цикла, показывающая круговорот вещества и однонаправленный поток энергии в процессах фотосинтеза и аэробного дыхания

На суше в процессе фотосинтеза СО₂ включается в состав органического вещества растений. Затем из растений основная масса углерода поступает в пищевые (трофические) цепи животных и накапливается в их телах в виде различного вида углеводов. Большая часть животных в процессе дыхания потребляет из атмосферы кислород и возвращает в нее углекислый газ. Это наиболее короткий круговорот, продолжительность которого составляет минуты. Отмершее органическое вещество растений и животных разлагается особой группой организмов (в основном микробами и грибами) до исходных минеральных веществ и углекислого газа, которые тоже возвращаются в атмосферу. Это более длительный круговорот, продолжительность которого равна времени жизни и времени разложения отмерших растений и животны х. Это время составляет от нескольких часов до нескольких сотен лет. Некоторая часть углерода включается в большой или геологический круговорот. В зависимости от условий отмершая органика, содержащая углерод, может превратиться в уголь, торф, нефть, газ и другие горючие соединения, которые в настоящее время используются человечеством с целью получения энергии. Это так называемый «уход углерода в геологию». Такой цикл может длиться десятки, сотни тысяч и даже миллионы лет, с последующим освобождением углерода (что знаменует завершение круговорота) при сгорании горючих соединений, вулканической деятельности или деятельности некоторых организмов.

Главным резервуаром биологически связанного углерода являются леса, они содержат до 500 млрд. т этого элемента, что составляет 2/3 его запаса в атмосфере. Вмешательство человека в круговорот углерода (сжигание угля, нефти, газа, дегумификация) приводит к возрастанию содержания СО₂ в атмосфере и развитию парникового эффекта (см. раздел 5.3.5).

Скорость круговорота СО₂, то есть время, за которое весь углекислый газ атмосферы проходит через живое вещество, составляет около 300 лет.

4.2.3. Круговорот воды

Водасоставляет значительную часть живых существ: в теле человека — по весу 60%, а в растительном организме достигает 95%. На круговорот воды на поверхности Земли затрачивается около трети всей поступающей на Землю солнечной энергии. Испарение с водных пространств создает атмосферную влагу. Влага конденсируется в форме облаков, охлаждение облаков вызывает осадки в виде дождя и снега; осадки поглощаются почвой или стекают в моря и океаны. Круговорот воды между сушей и океаном относится к большому геологическому круговороту. Для человечества важны фазы круговорота в пределах экосистем. Здесь происходят четыре процесса (рис.26):

- перехват. Растительность перехватывает часть выпадающей в осадках воды до того, как она достигает почвы. Перехваченная вода испаряется в атмосферу. Величина перехвата в умеренных широтах может достигать 25% общей суммы осадков, это — физическое испарение;

- транспирация — биологическое испарение воды растениями. Это не дождевая вода, а вода, заключенная в растении, т. е. экосистемная. Растения, потребляя около 40% общего количества осадков, играют главную роль в круговороте воды;

- инфильтрация — просачивание воды в почве. При этом часть инфильтрованной воды задерживается в почве тем сильнее, чем значительнее в ней коллоидный комплекс, соответствующий накоплению в почве перегноя;

- сток. В этой фазе круговорота избыток выпавшей с осадками воды стекает в моря и океаны.

Отличие циклов углерода и азота от круговорота воды состоит в том, что в экосистемах два названных элемента накапливаются и связываются, а вода проходит через экосистемы почти без потерь. Биосфера ежегодно использует на формирование биомассы 1% воды, выпавшей в виде осадков.

Рис. 26. Круговорот воды в природе: океанская вода, составляющая 93% гидросферы, совершает полный оборот за 2600 лет; вода рек и озер (5,4% гидросферы) - за 3,3 года; почвенная влага - за 10-12 месяцев

4.2.4. Круговорот фосфора

Фосфор— один из наиболее важных биогенных компонентов. Он входит в состав нуклеиновых кислот, клеточных мембран, систем аккумуляции и переноса энергии, костной ткани и дентина. Круговорот фосфора всецело связан с деятельностью живых организмов.

В отличие от азота и углерода резервуаром фосфора служат не атмосфера, а горные породы и отложения, образовавшиеся в прошлые геологические эпохи. Круговорот фосфора — типичный пример осадочного цикла.

В наземных экосистемах растения извлекают фосфор из почвы (в основном в форме РО₃ и включают его в состав органических соединений (белков, нуклеиновых кислот, фосфолипидов и др.) или оставляют в неорганической форме. Далее фосфор передается по цепям питания. После отмирания живых организмов и с их выделениями фосфор возвращается в почву.

В водных экосистемах фосфор усваивается фитопланктоном и передается по трофической цепи вплоть до морских птиц. Их экскременты (гуано) либо сразу попадают назад в море, либо сначала накапливаются на берегу, а затем все равно смываются в море. Из отмирающих морских животных, особенно рыб, фосфор снова попадает в море и в круговорот, но часть скелетов рыб достигает больших глубин, и заключенный в них фосфор снова попадает в осадочные породы, то есть выключается из биогеохимического круговорота.

При неправильном применении фосфорных удобрений, водной и ветровой эрозии почв большие количества фосфора удаляются из почвы. С одной стороны, это приводит к перерасходу фосфорных удобрений и истощению запасов фосфор­содержащих руд (фосфоритов, апатитов и др.). При избыточном внесении фосфорных удобрений почва перенасыщается стронцием, фтором, редкоземельными элементами. С другой стороны, поступление из почвы в водоемы больших количеств таких биогенных элементов, как фосфор, азот, сера и др., вызывает бурное развитие сине-зеленых водорослей и других водных растений («цветение» воды) и эвтрофикацию водоемов (см. раздел 5.4.1). Но большая часть фосфора уносится в море.

На рис. 27 схематически представлен круговорота фосфора в биосфере.

Рис. 27. Круговорот фосфора в биосфере

4.2.5. Круговорот серы

Сера – необходимый компонент всех белков. В земной коре очень много серы, однако в отличие от фосфораимеетсярезервный фонд и в атмосфере. Главная роль в вовлечении серы в биогеохимический круговорот принадлежитмикроорганизмам. Одни из них восстановители, другие — окислители. На рис. 28-а и 28-б показан круговорот серы в биосфере.

Рис. 28-а. Круговорот серы

Рис. 28-б. Круговорот серы

В горных породах сера встречается в виде сульфидов, в растворах — в форме иона, в газообразной фазе в виде сероводорода или сернистого газа. В некоторых организмах сера накапливается в чистом вид и при их отмирании на дне морей образуются залежи самородной серы.

По содержанию в морской среде сульфат-ион занимает второе место после хлора и является основной доступной формой серы, которая потребляется автотрофами и включается в состав белков.

В наземных экосистемах сера поступает в растения из почвы в основном в виде сульфатов. Потребности животных в соединениях серы могут удовлетворяться только за счет растений. После гибели живых организмов часть серы восстанавливается в почве микроорганизмами до сероводорода, другая часть окисляется до сульфатов и вновь включается в круговорот. Образовавшийся сероводород улетучивается в атмосферу, там окисляется и возвращается в почву с осадками.

Естественными путями или источниками поступления серы в окружающую среду являются: вулканы, природные пожары, распад серосодержащих минералов и разложение органических веществ

Сжигание человеком ископаемого топлива (особенно угля), а также выбросы химической промышленности, приводят к накоплению в атмосфере сернистого газа, которыйотносится к числу наиболее агрессивных загрязнителей (см. раздел 5.3.4).Он действует на природные объекты как в результате сухого осаждения, так и через кислотные осадки (реагируя с парами воды).

4.2.6. Круговорот кислорода

Основная масса кислорода находится в связанном состоянии: количество молекулярного кислорода составляет всего лишь около 0,01% от общего содержания кислорода в земной коре.

Рис. 29. Схема круговорота кислорода в биосфере

Главным образом круговорот кислорода происходит между атмосферой и живыми организмами. В основном свободный кислород поступает в атмосферу в результате фотосинтеза зеленых растений, а потребляется в процессе дыхания животными, растениями и микроорганизмами и при минерализации органических остатков. Основная доля кислорода продуцируется растениями суши — почти 3/4, остальная часть — фотосинтезирующими организмами Мировой океана.

Незначительное количество кислорода образуется из воды и озона под воздействием ультрафиолетовой радиации. Большое количество кислорода расходуется на окислительные процессы в земной коре при извержении вулканов и др. Кислород совершает еще и важнейший круговорот, входя в состав воды. Скорость круговорота — около 2 тыс. лет.

На рис. 29 представлена схема круговорота кислорода в биосфере.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: