IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

В экосистеме происходит постоянный круговорот элементов питания с участием биотического и абиотического компонентов. Движущей силой круговоротов служит солнечная энергия, которую используют непосредственно все фотосинтезирующие живые существа, в дальнейшем происходит её передача другим представителям биоты. В итоге создаётся поток энергии и питательных веществ, проходящий через экосистему, который носит название биогеохимического цикла миграции химических элементов.

Биогеохимические циклы – циркуляция в биосфере химических элементов и соединений по характерным путям из внешней среды в организмы, и обратно из организмов в окружающую среду. Такое перемещение элементов и неорганических соединений, необходимых для жизни, можно назвать круговоротом элементов питания.

При изучении круговорота химических элементов в курсе дисциплины «Экология» выделяют:

- резервный фонд – большая масса медленно движущихся веществ, в основном небиологический компонент;

- подвижный фонд, для которого характерен быстрый обмен между органической и неорганической средой.

Для биосферы выделим два основных типа биогеохимических циклов:

- круговорот газообразных веществ, с резервным фондом в атмосфере или гидросфере;

- осадочный цикл с резервным фондом в земной коре.

Такое разделение биогеохимических циклов основано на том, что круговороты, например, в которых участвуют углерод, азот и кислород довольно быстро компенсируют нарушения, из-за наличия крупных атмосферных или океанических фондов на нашей планете. Поэтому накопленный в каком-либо месте избыток СО₂ рассеивается воздушными потоками, а увеличение его концентрации в атмосфере способствует большему потреблению растениями и превращению в карбонаты в водной среде. Круговороты газообразных веществ имеют высокую способность к саморегуляции и поддержанию определённых концентраций различных веществ, которая в них велика. Следует отметить, что атмосфера имеет большой резервный фонд и высокую способность к саморегуляции, но её способности к самовосстановлению небеспредельны.

Осадочный цикл, в котором принимают участие такие химические элементы, как фосфор и железо, в меньшей степени способен к саморегуляции и поэтому легче нарушается. Это связано с тем, что основная часть химических веществ сосредоточена в относительно малоподвижном и малоактивном резервном фонде земной коры. Если изъятие химических элементов в этих циклах происходит быстрее, чем возврат, какая-то их часть может на длительное время или навсегда выбывать из круговорота. Механизмы возвращения химических элементов в круговорот основаны главным образом на биологических процессах.

При изучении биогеохимических циклов изучают так называемый резервный фонд – часть круговорота, которую условно можно считать отделённой от организмов. При этом имеем в виду, что между доступными и недоступными фондами существует динамическое равновесие.

Биогенная миграция химических элементов и биогеохимические принципы по теории русского академика В.И. Вернадского¹ [1], работа живого вещества в биосфере может проявляться в двух основных формах:

- биохимической – I род геологической деятельности;

- механической – II род такой деятельности.

Геологическая деятельность I рода – построение тела организмов и переваривание пищи, – конечно, является более значительной. Классическим стало функциональное определение жизни, данное немецким философом, экономистом Ф. Энгельсом: «жизнь есть способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой, причём с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь»².

В настоящее время была определена скорость этого обмена веществ, по данным Л.Н. Тюрюканова [5], в пшенице, например, полная смена атомов происходит для фосфора за 15 суток, а для кальция – в 10 раз быстрее – за 1,5 суток. Постоянный обмен веществ между живым организмом и внешней средой и обуславливает функции живого вещества в биосфере. По подсчётам биолога П.Б. Гофмана-Кадошникова [4], в течение жизни человека через его тело проходит 75 т воды, 17 т углеродов, 2,5 т белков, 1,3 т жиров. Между тем по геохимическому эффекту своей физиологической деятельности человек – не самый важный вид разнородного живого вещества биосферы. Геохимический эффект физиологической деятельности организмов обратно пропорционален их размерам, и наиболее значимой оказывается деятельность прокариотов – бактерий и цианобактерий. Большое значение имеет также количество пропускаемого через организм вещества.

Биогенная миграция атомов II рода – механическая – отчётливо проявляется в наземных экосистемах с хорошо развитым почвенным покровом, позволяющим животным создавать глубокие укрытия (гнездовые камеры термитов, например, расположены на глубине 2–4 м от поверхности). Благодаря выбросам землероев, в верхние слои почвы попадают первичные невыветрившиеся минералы, которые, разлагаясь, вовлекаются в биологический круговорот. Биогенная миграция атомов II рода распространена не только в наземных, но и в морских экосистемах.

К биогенной миграции II рода можно отнести и перемещение самого живого вещества. Сюда относятся сезонные перелеты птиц, перемещения животных в поисках корма, массовые миграции животных. Естественно, что все эти разнообразные формы движения живого вызывают и транспортировку небиогенного вещества.

Для понимания работы, которую совершает живое вещество в биосфере, важным являются три основных положения, которые академик В.И. Вернадский назвал «биогеохимическими принципами». В формулировке В.И. Вернадского они звучат следующим образом:

I принцип: «Биогенная миграция атомов химических элементов в биосфере всегда стремится к максимальному своему проявлению».

II принцип: «Эволюция видов в ходе геологического времени, приводящая к созданию форм жизни устойчивых в биосфере, идёт в направлении, увеличивающем биогенную миграцию атомов биосфер» (или в другой формулировке: «При эволюции видов выживают те организмы, которые своею жизнью увеличивают биогенную геохимическую энергию»).

III принцип: «В течение всего геологического времени, с криптозоя, заселение планеты должно было быть максимально возможное для всего живого вещества, которое тогда существовало».

Для В.И. Вернадского I биогеохимический принцип был тесно связан со способностью живого вещества неограниченно размножаться в оптимальных условиях. «Вихрь атомов», который представляет собой жизнь, по определению Ж. Кювье³, стремится к безграничной экспансии. Следствием этого и является максимальное проявление биогенной миграции атомов в биосфере.

II биогеохимический принцип, по существу, затрагивает кардинальную проблему современной биологической теории – вопрос о направленности эволюции организмов. По мысли В.И. Вернадского, преимущества в ходе эволюции получают те организмы, которые приобрели способность усваивать новые формы энергии или «научились» полнее использовать химическую энергию, запасённую в других организмах. В ходе биологической эволюции, таким образом, увеличивается «КПД» биосферы в целом.

В качестве примеров рассмотрим круговороты азота, фосфора и серы. Азот и фосфор часто являются лимитирующими элементами и могут контролировать численность организмов, а сера – это химический элемент, который может служить примером связи между воздухом, водой и земной корой, то есть её круговороту присущи особенности круговоротов азота и фосфора.

Круговороты азота, фосфора и серы

Круговорот азота. Это пример круговорота газообразных веществ. В круговороте азота ключевую роль играют микроорганизмы. Именно они осуществляют основные типы обмена между организмами и средой.

Азот протоплазмы переводится из органической в неорганическую форму в результате деятельности бактерий-редуцентов, каждый вид которых выполняет определённую работу. Часть азота в конечном счёте переводится в аммиачную и нитратную формы, доступные для питания растений. Как известно, воздух почти на 79 % состоит из азота и представляет собой одновременно крупнейший резервуар и буфер системы. Благодаря деятельности денитрифицирующих бактерий азот постоянно поступает в атмосферу, а под действием азотофиксирующих бактерий возвращается в круговорот.

Процессы, из которых складывается круговорот азота:

фиксация, ассимиляция, нитрификация, денитрификация, разложение, выщелачивание, вынос, выпадение с осадками, и другие;

потоки, непосредственно связанные с деятельностью человека: выбросы в атмосферу и промышленная фиксация азота (соединения, которые используются главным образом в качестве удобрений). Так как содержание N₂ в атмосфере резко не меняется, можно предположить, что приток и отток в целом уравновешивают друг друга.

Энергетические взаимоотношения в круговороте азота. Ступенчатый процесс разложения белков до нитратов служит источником энергии для организмов, принимающих участие в его разложении, а для обратного процесса требуются другие источники энергии – органическое вещество или солнечный свет. Например, хемосинтезирующие бактерии Nitrosomonas, превращающие аммиак в нитрит, получают энергию за счёт разложения, а денитрифицирующие и азотофиксирующие – используют другие источники.

Однако ни животные, ни человек, ни растения потреблять молекулярный азот не могут. Огромное количество молекулярного азота в атмосфере в чрезвычайно малой степени затрагиваются биологическим круговоротом: общее отношение связанного азота к его количеству в природе составляет 1:1 000 000. Несмотря на громадное количество молекулярного азота в атмосфере, он является одним из наиболее лимитирующих биогенных элементов. Столб воздуха над одним гектаром земной поверхности составляет 80 000 т молекулярного азота. Если бы растения могли усваивать молекулярный азот, то такого его количества хватило бы для получения урожая 30 ц/га на полмиллиона лет. Однако растения могут использовать только азот минеральных соединений. Поэтому, буквально «купаясь» в молекулярном азоте, они испытывают его нехватку.

Из растений фиксировать азот могут только представители семейства бобовых, на корнях которых образуются клубеньки, состоящие из азотофиксирующих бактерий. Однако и среди бобовых далеко не все виды могут фиксировать атмосферный азот. Всего семейство бобовых насчитывает 13 000 видов, а наличие клубеньковых бактерий обнаружено у 1300. Считается, что бактерии переводят в связанную форму приблизительно 1 млрд т азота в год, промышленная его фиксация составляет около 90 млн т.

Фиксировать азот могут следующие роды организмов:

свободно живущие бактерии – Azotobakter и Clostridium (анаэроб);

симбиотические клубеньковые бактерии бобовых растений – Rhizobium;

цианобактерии – Anabaena, Nostoc и др.

Из всего азота, который ежегодно усваивается глобальным биотическим сообществом, около 80 % возвращается в круговорот суши и воды и только 20 % поступает из атмосферы с дождём и в результате фиксации.

Благодаря механизмам обратной связи, обеспечивающим саморегуляцию, круговорот азота можно считать относительно замкнутым, если рассматривать его в масштабе крупных площадей или всей биосферы.

В современных условиях человек своей деятельностью оказывает значительное влияние на круговорот азота: увеличивает содержание азота в резервном фонде (сжигание ископаемого топлива, осушение заболоченных земель, обработка почвы и т.д.) и снижает его содержание (выращиванием бобовых культур на громадных территориях, техническое связывание азота) в атмосфере.

Круговорот фосфора. В отличие от азота резервным фондом этого элемента служат горные породы и другие отложения, образовавшиеся в прошлые геологические эпохи. По структуре круговорот фосфора проще, чем круговорот азота. Он циркулирует, постепенно переходя из органических соединений в фосфаты, которые снова могут использоваться растениями. Горные породы подвергаются воздействию выветривания, в результате чего фосфор высвобождается и становится доступным для растений. Под действием эрозионных процессов он попадает в море и на значительный промежуток времени высвобождается из круговорота. По всей вероятности, механизмы возврата фосфора в круговорот недостаточно эффективны и не возмещают его потерь. Перенос фосфора с морской воды на сушу не компенсирует его поток в море.

Деятельность человека ведёт к усиленной потере фосфора, что делает круговорот недостаточно замкнутым. Важность фосфора как элемента, обеспечивающего продуктивность биосферы, со временем будет возрастать, так как уже сейчас он причисляется к редким макроэлементам. Поэтому возврат фосфора в круговорот имеет важное значение для человечества.

Круговорот серы. Круговорот серы имеет ряд характерных особенностей:

обширный резервный фонд в почвах и меньший – в атмосфере;

ключевая роль в быстро обменивающемся фонде микроорганизмов, выполняющих определённую работу в окислении или восстановлении;

микробная регенерация из глубоководных отложений, в результате которой вверх движется газовая фаза (H₂S);

взаимодействие геохимических и метеорологических процессов с биологическими процессами;

взаимодействие воздуха, воды и почвы в регуляции круговорота в глобальном масштабе.

Основная доступная форма серы – SO₄^2– – восстанавливается автотрофами и включается в белки. Для растений серы требуется меньше, чем азота и фосфора, поэтому лимитирующим фактором она бывает реже. Тем не менее круговорот серы – ключевой в общем процессе продуцирования и разложения биомассы.

Круговороты различных элементов могут оказывать взаимное влияние друг на друга. Например, при образовании в осадках сульфидов железа фосфор из нерастворимых соединений переходит в растворимые.

В последнее время на круговороты азота и серы все большее влияние оказывает промышленное загрязнение атмосферы. Особенно токсичны соединения азота в форме оксидов NO₂ и N₂O и серы – в форме SO₂, которые являются промежуточными продуктами круговоротов этих элементов. В большинстве местообитаний их концентрация невелика, но в связи с неумеренным сжиганием топлива содержание в воздухе этих соединений, особенно в крупных промышленных центрах, увеличилось до такой степени, что они представляют опасность для важных биотических компонентов экосистемы.

Основным источником соединений азота являются выхлопные газы и другие промышленные выбросы сернистого газа – продукты сжигания угля.

Особенно большой вред наносит SO₂ растениям. Реагируя с водяным паром, он образует слабую сернистую кислоту, которая выпадает с осадками, известными как «кислотные дожди». Попав на листовую поверхность, H₂SO₃ вызывает химические ожоги, что снижает фотосинтезирующую поверхность растений.

Оксиды азота раздражают дыхательные пути высших животных и человека. Также следует иметь в виду, что, реагируя с другими соединениями, они могут образовывать соединения с синергическим эффектом, когда взаимодействие продуктов реакции больше суммарного воздействия каждого из реагирующих веществ в отдельности. Например, под действием ультрафиолетового излучения солнца NO₂ вступает в реакцию с продуктами неполного сгорания углеводородов. В результате возникает фотохимический смог.

В конечном счёте, оксиды азота и серы, попадающие в атмосферу, ухудшают качество жизни.

Глобальные круговороты углерода и воды

В глобальном масштабе биохимические круговороты воды и углекислого газа имеют самое важное значение для человечества. Для биохимических круговоротов характерно наличие в атмосфере небольших, но подвижных фондов.

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

С наступлением научно-технического прогресса сбалансированные прежде потоки углерода между атмосферой, материками и океанами начинают поступать в атмосферу в количестве, которое не полностью может связаться растениями. При сжигании природного газа существенным загрязнителем атмосферы являются оксиды углерода и азота.

В процессе сжигания бензина, угля, природного газа и других видов топлива в атмосферу выделяется огромное количество углекислого газа СО₂, что влечёт за собой экологические изменения окружающей среды. Принято различать полное и неполное сгорание топлива, конечные результаты процессов будут различны. Полное горение топлива характеризуется как быстро протекающий физико-химический процесс взаимодействия горючего с окислителем – кислородом воздуха, сопровождающийся интенсивным выделением теплоты:

С_ХН_У + О₂ СО₂ + Н₂О + Q.

В процессе неполного сгорания топлива образуется много вредных для окружающей среды соединений:

С_ХН_У + О₂ СО + СО₂ + NO + NO₂ + SO₂ + C + Н₂О + Q.

В процессе сжигания бензина, угля, природного газа и других видов топлива в атмосферу выделяется огромное количество углекислого газа СО₂, что влечёт за собой экологические изменения окружающей среды.

Существуют разные оценки влияния деятельности человека на обогащение атмосферы СО₂, однако все авторы сходятся во мнении, что основными накопителями углерода являются леса, так как в биомассе лесов содержится в 1,5 раза, а в гумусе, содержащемся в почве, – в 4 раза больше СО₂, чем в атмосфере.

Растения – хороший регулятор содержания СО₂ в атмосфере. Для большинства растений характерно увеличение интенсивности фотосинтеза при повышенном содержании диоксида углерода в воздухе.

Фотосинтезирующий «зеленый пояс» Земли и карбонатная система моря поддерживают постоянный уровень СО₂ в атмосфере. Однако стремительное увеличение потребления горючих ископаемых, а также уменьшение поглотительной способности «зелёного пояса» приводят к тому, что содержание СО₂ в атмосфере постепенно растёт. Предполагают, что если уровень СО₂ в атмосфере будет превышен вдвое (до начала активного влияния человека на окружающую среду он составлял 0,29 %), то не исключено повышение глобальной температуры на 1,5–4,5 °С. Это может привести к таянию ледников и как следствие – к повышению уровня Мирового океана, а также к неблагоприятным последствиям в других сферах, включая военную.

Помимо СО₂ в атмосфере в небольших количествах присутствуют оксид углерода СО – 0,1 части на миллион и метан СН₄ – 1,6 части на миллион. Эти углеродные соединения активно включены в круговорот и поэтому имеют небольшое время пребывание в атмосфере: СО – около 0,1 года, СН₄ – 3,6 года, а СО₂ – 4 года. Оксид углерода и метан образуются при неполном или аэробном разложении органического вещества и в атмосфере окисляются до СО₂.

Накопление СО в глобальном масштабе не представляется реальным, но в городах, где воздух застаивается, имеет место повышение концентрации этого соединения, что негативно влияет на здоровье людей.

Метан образуется при разложении органического вещества в болотистых местностях и мелководных морях. По мнению некоторых учёных, метан выполняет полезную функцию – он поддерживает стабильность озонового слоя, который предохраняет всё живое на Земле от гибельного воздействия ультрафиолетового излучения.

Фонд воды в атмосфере, невелик, и скорость её оборота выше, а время пребывания меньше, чем СО₂. Как и на круговорот СО₂, деятельность человека оказывает влияние на круговорот воды.

С энергетической точки зрения можно выделить две части круговорота СО₂: «верхнюю», которая приводится в движение Солнцем, и «нижнюю», в которой выделяется энергия. Около 30 % всей энергии Солнца, поступающей на поверхность Земли, затрачивается на приведение в движение круговорота воды.

В экологическом плане особое внимание следует обратить на два аспекта круговорота воды. Во-первых, море за счёт испарения теряет больше воды, чем получает с осадками, то есть значительная часть осадков, поддерживающих экосистемы суши, в том числе и агроэкосистемы, состоит из воды, которая испарилась с поверхности моря. Во-вторых, в результате деятельности человека возрастает поверхностный сток и сокращается пополнение фонда грунтовых вод. Уже сейчас имеются территории, на которых используются грунтовые воды, накопившиеся в предыдущем столетии. Следовательно, в этом случае вода – невозобновимый ресурс. После истощения грунтовых вод её будут доставлять с других территорий, что потребует вложения дополнительного количества энергии и других ресурсов. Берегите природу!

Список информационных источников

1. Вернадский / [Интернет-ресурс]: http://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_biography/129035

2. Вернадский, Владимир Иванович // Новая российская энциклопедия. – М.: Энциклопедия, 2007. – Т. 3. – С. 375.

3. Вернадский, В. И. Биосфера и ноосфера. — М.: Айрис-пресс, 2012. – 576 с.

4. Гофман-Кадошников, П. Б. Руководство к практическим занятиям по генетике / П. Б. Гофман-Кадошников, С. Х. Ларцева. – Москва : Колос, 1975. – 220 с.

5. http://biofile.ru/bio/2508.html.

6. Кучер М.И. Экология: учеб. пособие / под ред. проф. Е.Э. Френкеля. – Вольск: ВВИМО, 2015. – 265 с.

1 Влади́мир Ива́нович Верна́дский (рус. дореф. Владиміръ Ивановичъ Вернадскій, 28 февраля (12 марта) 1863, Санкт-Петербург, Российская империя – 6 января 1945, Москва, СССР) – русский и советский учёный естествоиспытатель, мыслитель и общественный деятель конца XIX века и первой половины XX века. Академик Санкт-Петербургской академии наук, Российской академии наук, Академии наук СССР, один из основателей и первый президент Украинской академии наук. Создатель научных школ. Один из представителей русского космизма; создатель науки биогеохимии.

2 Жизнь. (Определение) // Биологический энциклопедический словарь. (Гл. ред. М.С. Гиляров; Редкол.: А.А. Баев, Г.Г. Винберг, Г.А. Заварзин и др. – 2-е изд., исправл. – М.: Сов. Энциклопедия, 1989. – 864 с., 30 л.)

3 Жорж Леопо́льд Кювье́,барон (фр. Jean Léopold Nicolas Frédéric Cuvier; 1769–1832) – французский естествоиспытатель, натуралист. Считается основателем сравнительной анатомии и палеонтологии. Был членом Французского Географического общества. Ввёл разделение царства животных на четыре типа.

Код для цитирования: Скопировать