Термины и понятия: биогенная миграция химических элементов; нитрифицирующие и денитрифицирующие бактерии, азотобактерии; энергетический баланс Земли.
Как происходит круговорот вещества. Зелёные растения, поглощая световую энергию Солнца, из простейших неорганических соединений (воды, углекислого газа и минеральных солей) синтезируют органические вещества — первичную продукцию для животных, грибов и бактерий. Животные эту первичную продукцию превращают во вторичную. Сапротрофные (от греч. сапрос — гнилой и трофос — пища) бактерии и грибы разрушают первичную растительную и вторичную животную продукцию, оставшуюся от умерших организмов, опять до простых неорганических соединений. Таким образом, зелёные растения являются производителями органического вещества, животные — его потребителями, а бактерии и многие грибы — его разрушителями.
На Земле ежесекундно умирают миллионы организмов. Поэтому разложение органических соединений на минеральные вещества при гниении мёртвых тел растений и животных — один из самых глобальных процессов в биосфере.
Именно поэтому выдающийся микробиолог Луи Пастер (1822—1895) назвал бактерии «великими могильщиками природы». При разложении органических соединений в атмосферу выделяется большое количество углекислого газа и водорода. Таким образом микроорганизмы принимают значительное участие в геохимических процессах, круговороте вещества в биосфере, а также в выводе веществ из круговорота и откладывании их залежей в земной коре.
Принципиальная схема круговорота вещества в биосфере такова: неорганические вещества → органические соединения → неорганические вещества. В этот процесс вовлечены как многие простейшие неорганические соединения, так и все химические элементы, постоянно входящие в состав живых организмов.
Круговорот воды. Вода — одно из самых динамичных соединений. Она находится в постоянном движении — переходит из одного физического состояния в другое. Её круговорот чрезвычайно важен для всего живого. Испаряясь с поверхности Мирового океана, пресноводных водоёмов, почвы и растений, вода сначала накапливается в атмосфере, а затем выпадает в виде осадков. Собственно, это и есть простейшая схема её круговорота (рис. 144). В результате количество воды на Земле остаётся постоянным, лишь изменяются её свойства (из солёной становится пресной) и физическое состояние, которое может быть газообразным, жидким и твёрдым. В Мировой океан выпадает 80 % осадков. Однако особую ценность представляют именно те 20 % воды, которые выпадают на сушу. Ведь именно пресная вода поддерживает основную массу живого вещества на планете. Часть её наводняет почву и пополняет запасы грунтовых вод, а часть, собираясь в ручейки, речушки и реки, со временем попадает в Мировой океан. Воду из почвы берут растения, которые затем испаряют её благодаря механизмам транспирации.
Рис. 144. Круговорот воды в биосфере.
Биогенная миграция атомов. В биосфере происходит постоянная миграция химических элементов, их перемещение от одного вида организмов к другому. Осуществляется она при непосредственном участии микроорганизмов, растений и животных и представляет собой постоянный круговорот химических элементов, переходящих из организма в организм, затем в неживую природу и снова в организмы. Благодаря механизму круговорота, в биосфере поддерживается относительно постоянное количество химических элементов и простейших химических соединений — они никуда не исчезают и ниоткуда не возникают.
В круговороте участвуют те же самые элементы, что входят в состав живых организмов. Для биогенной миграции характерно накопление химических элементов в живых организмах с последующим их высвобождением либо в процессе жизнедеятельности, либо после смерти в результате разложения останков. Этот биологический круговорот — накопление химических элементов в живых организмах и минерализацию в неживой природе — можно наблюдать в каждом биоценозе.
Миграции атомов по планете способствуют расселение и передвижение организмов. Перенос химических элементов осуществляется не только дальними миграциями птиц, рыб и насекомых, но и выходом личинок насекомых, развивающихся в водной среде, насушу в виде имаго. Последнее обстоятельство очень важно, поскольку вода постоянно смывает растворимые неорганические соединения сначала в реки, а затем в Мировой океан и, если бы не было обратной миграции, в почве неизбежно возник бы дефицит многих химических элементов.
Различают два типа биогенной миграции атомов: первый осуществляют микроорганизмы и второй — многоклеточные организмы. Причём значимость первого на планете гораздо больше, чем второго.
Что собой представляет круговорот кислорода (рис. 145). Свободный кислород земной атмосферы является продуктом процесса фотосинтеза зелёных растений. Его общее количество в атмосфере отражает баланс между продуцированием кислорода и процессами окисления, в том числе и дыхания. Кислород — самый активный из атмосферных газов. Поэтому обмен кислорода среды обитания с организмами протекает очень быстро. Сейчас свободный кислород в атмосфере сбалансирован, так как выделяемое его количество стало равным поглощаемому.
Рис. 145. Круговорот кислорода и углерода в биосфере.
Как происходит кругооборот углерода (рис. 145). Углерод в биосфере чаще всего представлен наиболее подвижной формой — углекислым газом. Источником углекислоты является окисление органических соединений в результате пожаров, сжигания топлива и дыхания живых организмов. Из атмосферы С02 поглощают растения. Это происходит в процессе фотосинтеза с образованием органических веществ, которые либо окисляются до углекислоты в процессе дыхания, либо разлагаются бактериями до простейших неорганических соединений, в том числе и углекислоты. Если в биосфере накапливается много соединений углерода, то он залегает в литосфере в виде торфа, угля, сланцев, нефти, газа, осадочных пород. Этот процесс интенсивно проходил сотни миллионов лет назад, когда значительная часть органического вещества не использовалась ни консументами, ни редуцентами, накапливаясь под различными минеральными осадками. Находясь глубоко под землёй на протяжении миллионов лет, детрит под воздействием высоких температур и огромного давления превратился в нефть, природный газ и уголь: в какой именно вид топлива — зависело от ряда конкретных обстоятельств.
Если бы ни этот период развития биосферы, то очень может быть, что человечество имело бы сейчас совсем другие источники энергии и вполне возможно, что цивилизация получила бы совсем другое направление развития. Теперь, благодаря огромному количеству ископаемого топлива, его вполне хватает для обеспечения потребностей в энергии. Сжигая его, в определённом смысле, человечество возвращает его в круговорот углерода.
В чём заключаются особенности круговорота азота (рис. 146). При разложении органических веществ значительная часть содержащегося в них азота превращается в аммиак, который под влиянием живущих в почве нитрифицирующих (от лат. нитрум — селитра и фацио — делаю) бактерий превращается в азотную кислоту (HN03). Последняя, вступая в химические реакции, образует растворимые нитраты. Некоторая же часть свободного азота, образовавшегося при гниении, попадает в атмосферу. Туда также выделяется азот, образующийся при сжигании дров, каменного угля, торфа. Кроме того, денитрифицирующие бактерии способны разрушать нитраты с выделением свободного азота.
Очевидно, что не весь азот, входивший в состав погибших растений и животных, возвращается обратно в почву. Непрерывная потеря азотных соединений могла бы привести к прекращению жизни, если бы не существовали процессы, возмещающие потерю азота. К таким процессам относятся атмосферные электрические разряды, при которых всегда образуется некоторое количество оксидов азота. Взаимодействуя с парами воды, они образуют азотную кислоту, в почве превращающуюся в нитраты.
Рис. 146. Круговорот азота в биосфере.
Важным источником пополнения азотных соединений почвы являются азотобактерии, обладающие уникальной способностью усваивать атмосферный азот. Известнее других так называемые клубеньковые бактерии, поселяющиеся на корнях растений семейства бобовых. Усваивая атмосферный азот, они перерабатывают его в азотные соединения. Растения превращают последние в белки, нуклеиновые кислоты и другие органические вещества. Таким образом в природе совершается непрерывный круговорот азота.
Ежегодно вместе с урожаем с полей убирают растения, из-за чего в агроценозах ограничивается возврат в почву химических элементов. Поэтому во время пахоты обязательно вносят органические или минеральные удобрения, возмещающие утрату химических элементов, прежде всего азота, составляющего важную часть минерального питания растений.
Чем производственные процессы отличаются от круговорота вешрства в природе. Производственную деятельность человека вполне можно рассматривать как превращение веществ или как миграцию химических элементов. Прекрасной иллюстрацией этого служит металлургический производственный цикл: получение железа из руды, выплавка стали, изготовление деталей и сборка из них, например автомобиля, а затем его коррозия и превращение в металлолом. Аналогия полная, но имеются и принципиальные отличия. В биосфере превращения веществ осуществляются по замкнутому кругу. Это безотходные производства, в которых каждое новое вещество востребовано, так как включается в новый цикл. В деятельности человека циклы не замкнуты. В итоге появляется огромное количество ненужных человеку и невостребованных природой вещей — отходов производства, отслуживших предметов потребления, например, радиоактивные отходы ядерных реакторов, пластиковые бутылки, полиэтилен, которые разрушают естественную среду обитания. Именно поэтому, чтобы избежать загрязнения окружающей среды, необходимо строить замкнутые производственные циклы с безотходным производством.
Современная производственная деятельность человека напоминает организм, у которого из-за мутаций генов, кодирующих ферменты, нарушен процесс метаболизма. Следствием является накопление метаболитов - ненужных и опасных веществ. Конечный результат очевиден - такой организм болен и обречён на смерть.
Биосфера и превращение энергии. Биосфера — открытая система, в которую извне постоянно вливается поток солнечной энергии. Часть её используется на создание и поддержание живого вещества, а часть теряется. Соотношение поступившей и утраченной энергии называют энергетическим балансом Земли. Расчёты показывают, что 42 % энергии Солнца отражается Землёй в мировое пространство, 58 % поглощают атмосфера и почва. Из этого количества энергии поверхность планеты излучает более 20 %. 10 % энергии расходуется на испарение воды с водного зеркала Мирового океана.
Падающая на Землю солнечная энергия аккумулируется (от лат. аккумуляцио — накопление) зелёными растениями в виде потенциальной энергии химических связей и поступает с синтезированным ими органическим веществом в другие организмы, где расходуется, переходя в кинетическую, либо накапливается в виде потенциальной (вспомните: переход с одного трофического уровня на другой ведёт к уменьшению потенциальной энергии в 10 и более раз). Колоссальную мощность падающей на Землю солнечной энергии иллюстрируют следующие цифры. Растения земного шара за год образуют около 100 млрд т органических веществ. При этом они поглощают около 1,7 • 108т углекислого газа, выделяют около 11,5 • 107 т кислорода и испаряют 1,6 • 1013 т воды.
Основу биосферы формируют циклические потоки вещества, связанные с биогенными миграциями химических элементов и сопровождающиеся превращениями энергии.
Проверьте себя
1. В чём состоит биосферная функция микроорганизмов? 2. Опишите круговорот воды в природе. 3 Каким образом на Земле накопились запасы ископаемого топлива? 4. Почему в почве поддерживается постоянный уровень атомов азота? 5. Чем производственная деятельность человека отличается от биогеохимических потоков в биосфере?
Как вы считаете?
1. Существуют ли биогенные миграции атомов золота и платины в биосфере? 2 Какие используемые в настоящее время человеком источники энергии можно считать безотходными, не разрушающими естественную среду обитания?