Схема круговорота веществ
В природе различают два основных круговорота веществ: большой геологический, происходящий в результате действия абиотических факторов, и малый биотический, происходящий при участии живых организмов.
Большой геологический круговорот веществ обусловлен взаимодействием солнечной энергии с глубинной энергией Земли и осуществляет перераспределение вещества между биосферой и более глубокими горизонтами Земли.
Геологический круговорот происходит в течение сотен тысяч и миллионов лет.
Горные породы подвергаются разрушению, выветриванию и в конечном итоге смываются потоками воды в Мировой океан. Здесь они откладываются на дне, образуя осадочные породы, и лишь частично возвращаются на сушу с организмами, извлеченными из воды человеком или другими животными. Процессы опускания материков и поднятия морского дна приводят к тому, что морские отложения возвращаются на сушу и процесс начинается вновь.
Схематично, круговорот основных веществ в природе показан в нашем видео:
Малый биотический круговорот веществ является частью большого круговорота и совершается лишь в пределах биосферы. Скорость протекания процессов здесь значительно выше. Сущность этого круговорота состоит в образовании живого вещества из неорганических соединений в процессе фотосинтеза и в превращении органического вещества при разложении вновь в неорганические соединения. При этом часть вещества исключается из биотического круговорота, и с помощью геохимических процессов закрепляется в осадочных отложениях или переносится в океан.
Рассмотрим круговороты наиболее важных биогенных веществ (воды, углерода, кислорода, азота, фосфора и серы):
Круговорот воды
Вода – необходимое вещество в составе любых живых организмов. Так же как и биогенные элементы, вода в биосфере находится в процессе постоянной циркуляции. Круговорот воды происходит по следующей схеме.
Влага, испарившаяся с поверхности Мирового океана, переносится на сушу, где выпадает в виде осадков, которые вновь возвращаются в океан в виде поверхностного и подземного стока.
Круговорот воды происходит и по более простой схеме: испарение влаги с поверхности океана – конденсация водяного пара – выпадение осадков на эту же водную поверхность океана.
На основе геологического круговорота воды с появлением на Земле живого вещества появился биотический круговорот.
Большое значение в биотическом круговороте воды имеют процессы транспирации. С влагой растения потребляют из почвы минеральные и органические вещества, процесс транспирации регулирует температуру растений, предохраняя их от перегрева.
Круговорот углерода
Углерод, содержащийся в атмосфере в виде углекислого газа, служит сырьем для фотосинтеза растений. Затем углерод с органическим веществом поступает к другим живым организмам.
При дыхании растений и животных, а также при разложении мертвой органики в почве выделяется углекислый газ, в форме которого углерод и возвращается в атмосферу.
Скорость оборота CO2 составляет порядка 300 лет (полная его замена в атмосфере).
Основная масса углерода накоплена в карбонатных отложениях дна океанов, в кристаллических породах, в угле и нефти. Этот углерод принимает участие в большом геологическом круговороте.
Антропогенное воздействие на цикл углерода связано со сжиганием топлива, выращиванием сельскохозяйственных растений и разведением домашних животных. Содержание CO2 в атмосфере продолжает расти в основном за счет увеличения сжигания ископаемого топлива.
Увеличение концентрации CO2 в атмосфере способствует развитию парникового эффекта, что может привести к глобальным изменениям климата.
Круговорот кислорода
Кислород является побочным продуктом фотосинтеза.
Скорость оборота кислорода (через процесс фотосинтеза) составляет около 2000 лет. Основной поставщик кислорода на Земле – зеленые растения.
Главный потребитель кислорода – животные, почвенные организмы и растения, использующие его в процессе дыхания. Интенсивное сжигание органического топлива приводит к вмешательству человека в процесс круговорота кислорода.
Следует заметить, что во многих государствах мира кислорода расходуется больше, чем выделяется при фотосинтезе в соответствующих регионах.
Это свидетельствует о локальном нарушении баланса кислорода в атмосфере на этих территориях, что может иметь серьезные экологические последствия.
Круговорот азота
Азот участвует в образовании белковых структур. Большая часть биосферного азота содержится в атмосфере. Это главный источник азота для органических соединений.
Переход его в доступные живым организмам формы может осуществляться разными способами. Например, электрические разряды при грозах способствуют синтезу оксидов азота, которые затем с дождевыми водами попадают в почву в виде селитры или азотной кислоты и усваиваются растениями.
Усваивать непосредственно атмосферный азот способны только некоторые виды организмов: сине-зеленые водоросли, бактерии. Отмирая, они обогащают почву органическим азотом, который быстро минерализуется. Наиболее эффективная фиксация осуществляется бактериями, формирующими симбиоз с бобовыми растениями. Они способны фиксировать атмосферный азот и делать его доступным корням растений.
Круговорот азота в биосфере – процесс медленный, скорость его по некоторым оценкам составляет 108 лет. Воздействие человека на цикл азота, во-первых, связано с производством азотных удобрений.
Воздействие их на экосистемы аналогично воздействию фосфора: большое количество азота в водоемах способствует усиленному росту сине-зеленых водорослей и последующему заболачиванию водоема.
Во-вторых, в в результате сжигания органического топлива в продуктах сгорания оказывается большое количество оксидов азота. Последние, поступая в атмосферу, взаимодействуют с водой и другими веществами, образуя кислотные дожди и смог.
Круговорот фосфора
Фосфор содержится в горных породах, образовавшихся в прошлые геологические эпохи. В биогеохимический круговорот он может попасть в случае подъема этих пород из глубины земной коры на поверхность суши, в зону выветривания. Эрозионными процессами он выносится в море в виде широко известного минерала – апатита.
Общий круговорот фосфора можно разделить на две части – водную и наземную. В водных экосистемах он усваивается фитопланктоном и передается по трофической цепи вплоть до консументов третьего порядка – морских птиц. Их экскременты (гуано) снова попадают в море и вступают в круговорот, либо накапливаются на берегу и смываются в море.
Из отмирающих морских животных, 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.
В наземных экосистемах фосфор извлекают растения из почв, и далее он распространяется по трофической сети. Возвращается в почву после отмирания животных и растений. Теряется фосфор из почв в результате их водной эрозии. Повышенное содержание фосфора на водных путях его переноса вызывает бурное увеличение биомассы водных растений, цветение водоемов и их эвтрофикацию. Большая же часть фосфора уносится в море и там теряется безвозвратно. Последнее обстоятельство может привести к истощению запасов фосфорсодержащих руд (фосфоритов, апатитов).
Важнейшей формой влияния человека на круговорот фосфора является производство и использование фосфорных удобрений и детергентов (синтетических моющих средств). Избыток фосфорных удобрений вымывается в водоемы и исключается из круговорота.
Круговорот серы
Содержание серы в живых организмах незначительно, но она входит в состав белка и тем самым играет существенную роль в протекании биохимических процессов.
Основная часть серы зафиксирована в литосфере в виде различных соединений. Источником серы в геологическом прошлом служили продукты извержения вулканов, содержащие SO2 и H2S. Растения усваивают раствор сульфатов в воде, и, таким образом, сера попадает в состав белков.
Животные получают серу, входящую в состав готовых органических соединений, с пищей. В наземных экосистемах сера возвращается в почву при отмирании растений, захватывается микроорганизмами, которые восстанавливают ее до H2S.
Другие организмы и воздействие кислорода приводят к окислению этих продуктов. Круговорот серы также находится под влиянием антропогенной деятельности. В органическом топливе всегда, хотя и в малых количествах, содержится сера, при сжигании которого она переходит в диоксид серы – токсичное для живых организмов вещество.
Диоксид серы может подавлять процесс фотосинтеза, а при взаимодействии с водой атмосферы, образовывать сернистую кислоту, увеличивая кислотность осадков.
Далее:
Влияние природно-экологических факторов на здоровье человека
