Круговорот веществ в природе

Биологическое разнообразие и его значение

Биоразнообразие играет важную роль в поддержании жизни на Земле. Оно обеспечивает стабильность экосистемы, позволяя ей противостоять различным угрозам и изменениям внешней среды. Каждый вид выполняет свою уникальную функцию в экосистеме, и потеря одного вида может вызвать нарушение равновесия и негативные последствия для всей системы.

Биологическое разнообразие также имеет огромное практическое значение для человечества. Оно обеспечивает пищевую безопасность, поскольку различные виды растений и животных дают нам пищу. Биоразнообразие также предоставляет лекарства, исходя из животных и растений, которые используются для производства лекарственных препаратов. Кроме того, живая природа предлагает нам множество ресурсов, таких как древесина, вода, энергия и многие другие.

Сохранение биоразнообразия является важной задачей для человечества. Промышленная деятельность, изменение климата, загрязнение окружающей среды и другие факторы влияют на биологическое разнообразие и ведут к его уменьшению

Поэтому необходимо предпринять усилия по охране и восстановлению биоразнообразия для поддержания устойчивого развития планеты и сохранения будущих поколений.

Круговорот фосфора

Биологическое значение фосфора в жизнедеятельности организмов исключительно велико. Его соединения входят в состав нуклеиновых кислот, клеточных мембран, систем переноса энергии, в состав мозга и костной ткани. Содержание фосфора в тканях растений составляет 250—350, морских животных — 400—1800, наземных животных — 170—4400, бактерий — около 3000 мг на 100 г сухого вещества. Как и углерод, фосфор участвует в биологическом и геологическом круговороте вещества.

Резервуаром фосфора в биологическом круговороте служит литосфера, в частности фосфорсодержащие горные породы, какими являются фосфориты, апатиты, нефелиновые сиениты. В процессе выветривания соединения фосфора попадают в почвенный покров, выносятся поверхностными водами в конечные бассейны стока, где они или медленно оседают на дно и литифицируются, или рассеиваются глубинными водами.

Из почвы фосфор извлекается растениями в виде растворимых фосфатов, которые поглощаются с почвенными растворами и превращаются в ионы РO₄-2. Скорость усвоения растениями фосфора зависит от кислотности почвенного раствора. В щелочной среде фосфаты кальция и натрия практически нерастворимы, а в нейтральной — малорастворимы. По мере повышения кислотности они превращаются в хорошо растворимую фосфорную кислоту. Находящийся в растительности фосфор переходит к животным, потребляющим растительную пищу.

Органический фосфор, находящийся в растительном опаде, отмерших растительных и животных остатках в результате бактериальных преобразований в почве, трансформируется в фосфаты. Воздействующие на них фосфаторазрушающие бактерии продолжают биологический круговорот фосфора, переводя его в растворимую форму, которая, попадая в водную среду, принимает участие в геологическом круговороте.

Круговорот фосфора в биосфере не замкнут, так как часть его поступает в литосферу. Лишь небольшое количество фосфора безвозвратно теряется при геологических процессах, а часть — аккумулируется вместе с осадками. С речными стоками, согласно сделанным подсчетам, в Мировой океан поступает ежегодно около 3-4 млн. т. фосфора, который исключается из круговорота.

В морях и океанах фосфор концентрируется в виде фосфатных конкреций, которые в процессе седиментогенеза с течением времени превращаются в фосфориты. В зоне апвеллинга, когда происходит подъем глубинных вод, фосфор вместе с другими биогенными элементами и питательными веществами выносится на поверхность и поэтому зоны апвеллинга необычайно богаты организмами.

В почве и природных водах фосфор всегда находится в дефиците. Соотношение фосфора и азота в природных водах составляет в среднем 1:23 (в реках и ручьях 1:28), в биомассе 1:16. Это определенным образом тормозит биологическую продуктивность Земли. Хотя часть фосфора из Мирового океана естественным путем возвращается на сушу птицами и с выловленной рыбой, общий объем возврата фосфора явно меньше количества выноса его в гидросферу.

В течение XX в. в результате хозяйственной деятельности человека цепочка круговорота фосфора в биосфере оказалась нарушенной. Этому способствовали производство фосфорных удобрений и широкое их применение в сельском хозяйстве, получение в промышленных масштабах различных фосфорсодержащих препаратов, производство продовольствия и кормов, развитие рыбного промысла, добыча морских моллюсков и водорослей. Эти действия прямым образом отразились на круговороте фосфора и привели к перераспределению содержания фосфатов на суше и в гидросфере. Наблюдается также крайне неравномерная концентрация фосфора на земной поверхности. Его больше в местах развития сельского хозяйства, где происходит малообратимая аккумуляция органических соединений фосфора. Эрозия почв, смыв удобрений, органических отходов и экскрементов поверхностными водами, сбросы канализационных стоков приводят к сильнейшему фосфорному загрязнению рек, озер и прибрежных областей Мирового океана. Происходит фосфатизация почв, рек, водоемов суши, прибрежных участков морей, особенно в области дельт, заливов и эстуариев.

Круговорот воды

Большая часть биосферной воды представлена водами Мирового океана и водой вечных льдов. Более 99 % всех запасов воды в биосфере находится в твердом состоянии. Незначительная часть воды находится в газообразном состоянии — это атмосферные водяные пары. На испарение воды с поверхности океанов и суши затрачивается около половины всей поступающей на Землю солнечной энергии. После испарения вода потоками воздуха переносится на различные расстояния. Бóльшая ее часть в виде осадков выпадает в океан, откуда интенсивно испаряется, меньшая — на сушу. Излишки стекаются в реки, озера, а из них — в Мировой океан. Выпавшая на поверхность суши вода способствует разрушению горных пород, размывает верхний слой почвы и возвращается вместе с растворенными и взвешенными в ней веществами в реки, моря и океаны. Таким образом, вода переносит огромное количество неорганических и органических соединений.

В круговороте воды важную роль играют живые организмы. Растения извлекают воду из почвы и испаряют ее в атмосферу. Масса испаряемой при этом воды может быть весьма значительна. Так, с 1 га леса испаряется 20—50 т воды в сутки.

!  Это интересно

Чтобы произвести 10 кг биомассы, большинство растений потребляют примерно 1000 л воды. Из этой, пропущенной через корни воды, примерно991 л идет на испарение с поверхности листьев, что необходимо растению в первую очередь для охлаждения. Из оставшихся около 9 л воды 7,5 л остается в тканях растений в виде химически свободной воды, и только 1,5 л используется в процессе фотосинтеза.

Животные организмы также активно участвуют в круговороте воды. Они потребляют воду для поддержания процессов жизнедеятельности и выделяют ее с продуктами обмена веществ.

!  Это интересно

Недостаток воды животное ощущает чрезвычайно остро. Так, потеря организмом 10 % воды сопровождается ослаблением сердечной деятельности, повышением температуры тела, снижением аппетита и секреции желудочного сока, возбуждением нервной системы, мышечной дрожью, сухостью и желтушностью слизистых оболочек. При потере позвоночным животным 20 % воды наступает смерть.

Основные отличия круговоротов

Все в мире связано между собой и это обеспечивает слаженную работу всех уровней на планете. Большой и малый обороты в этом процессе сливаются и функционируют совместно для поддержания жизни на планете.Однако у них разная структура, и специалисты выделяют характерные особенности:

• Составляющими компонентами. В геологическом круговороте принимают участие химические вещества со всех уровней земной коры. Биологический — отличается взаимодействием только между биогенными элементами.
• Длительностью. Цикл Малого оборота длится от года до сотни лет. Период Большого — тянется до сотен тысяч лет.
• Движущей силой. Импульсом для геологического круговорота выступает вода, которая “путешествует” между сушей и водоемами. В Малом круговороте в этой роли выступают живые организмы, их продукты жизнедеятельности и питание.

Вот такое слаженное взаимодействие всех элементов на Земле обеспечивает гармоничное и сбалансированное существование всех структур на планете.

Круговорот кислорода

В функционировании биосферы кислород играет исключительно важную роль в процессах обмена веществ и дыхании живых организмов. Уменьшение количества кислорода в атмосфере в результате процессов дыхания, сжигания топлива и гниения компенсируется кислородом, выделяемым растениями при фотосинтезе.

Кислород образовывался в первичной атмосфере Земли при ее остывании. В силу своей высокой реакционной способности он переходил из газообразного состояния в состав различных неорганических соединений (карбонатов, сульфатов, оксидов железа и др.). Сегодняшняя кислородсодержащая атмосфера планеты образовалась исключительно за счет осуществляемого живыми организмами фотосинтеза. Содержание кислорода в атмосфере повышалось до нынешних значений в течение длительного времени. Поддержание его количества на постоянном уровне в настоящее время возможно только благодаря фотосинтезирующим организмам.

К сожалению, в последние десятилетия деятельность человека, приводящая к вырубке лесов, эрозии почв, снижает интенсивность фотосинтеза. А это, в свою очередь, нарушает естественный ход круговорота кислорода на значительных территориях Земли.

Небольшая часть кислорода атмосферы участвует в процессах образования и разрушения озонового экрана при действии ультрафиолетового излучения Солнца.

Пищевая цепь, резервный и обменный фонд

Некоторые органические вещества в процессе своего «путешествия» вступают в реакции и взаимодействия с другими веществами. В результате образуются смеси, которые в том виде, в каком они есть, не могут быть переработаны редуцентами. Такие смеси остаются «храниться» в земле. Не все органические вещества, попадающие на «стол» могильщиков, не могут ими переработаться. Не все могут перегнить при помощи бактерий. Такие неперегнившие остатки попадают на хранение. Все, что остается на хранении или в резерве, выбывает из процесса и в круговорот веществ в биосфере не входят.

Таким образом, в биосфере круговорот веществ, движущей силой которого является деятельность живых организмов, можно разделить на две составляющие. Одна – резервный фонд – это часть вещества, которая не связана с деятельностью живых организмов и до времени в обороте не участвует. И вторая – это оборотный фонд. Он представляет собой лишь небольшую часть вещества, которая активно используется живыми организмами.

Атомы каких основных химических элементов столь необходимы для жизни на Земле? Это: кислород, углерод, азот, фосфор и некоторые другие. Из соединений, основным в кругообороте, можно назвать воду.

Границы обитания живых организмов

Общая характеристика биосферы начинается с описания границ, в пределах которых могут обитать живые организмы. Некоторые из них довольно живучие, и могут выдержать даже самые критические условия.

Границы биосферы:

• Верхняя граница. Определяется атмосферой, а конкретно озоновым слоем Земли, это примерно 15-20 километров. Чем ближе к экватору, тем мощнее защитный экран планеты. Выше озонового слоя жизнь попросту невозможна, ведь ультрафиолетовое излучение несовместимо с жизнедеятельностью клеток организмов. К тому же, с высотой существенно сокращается количество кислорода, а это также губительно для живых существ.
• Нижняя граница. Определяется литосферой, максимально возможная глубина не превышает 3,5 — 7,5 километров. Все зависит от критического повышения температуры, при которой происходит денатурация белковых структур. Однако большая часть живых организмов сосредоточена на глубине всего нескольких метров, это — корневая система растений, грибки, микроорганизмы, насекомые и животные, обитающие в норах.
• Границы в гидросфере. Живые организмы могут существовать в абсолютно любых частях океана: от поверхности воды (планктон, водоросли) до дна глубоководных желобов. К примеру, ученые доказали, что жизнь существует даже в Марианской впадине на глубине 11 километров.

Принципы стабильности биосферы

Биосфера представляет собой огромную экосистему, поэтому ее устойчивость и стабильность определяется рядом принципов.

В первую очередь, стабильность биосферы определяется биологическим разнообразием живых существ. Высокое разнообразие биосферы обеспечивает ее свойства как сложной системы. К примеру, живые организмы способны дополнять друг друга. В лесу каждое растение занимает свой ярус, в зависимости от потребности к свету. Так, деревья получают большее количество энергии Солнца, так как возвышаются над другими растениями. На кустарники приходится до 20% излучения, а на травянистые растения и того меньше – около 1%. Дополняя друг друга, растительные организмы наиболее полно используют солнечную энергию.

Ярусность в лесу Источник

В биосфере экосистемы могут заменяться похожими сообществами, однако разнообразие организмов может различаться. Например, в тайге одни виды хвойных растений могут заменять другие. Часто это происходит в результате конкуренции.

Основным принципом функционирования биосферы является способность к саморегуляции. Если система по каким-то причинам отклоняется от нормального функционирования, то приводятся в действие силы, которые ее возвращают к исходному состоянию. Так, увеличение числа грызунов способствует повышению численности хищников, которые ими питаются.

Соответственно, разнообразие природы обеспечивает существование жизни на планете.

Стабильность биосферы обеспечивается круговоротом веществ и энергии.

Живое вещество находится в непрерывном обмене с космической средой. Создание веществ и поддержание их постоянного состава происходит благодаря энергии Солнца.

Благодаря растительному покрову, происходит процесс фотосинтеза, а в биосфере формируются сложные молекулы,содержащие значительный запас энергии. Именно живое вещество способствует открытости системы. Оно принимает, накапливает и преобразовывает лучистую энергию Солнца. Растительные организмы улавливают энергию. Все остальные существа способствуют удержанию, а также трансформации солнечной энергии. Этот процесс осуществляется благодаря размножению и росту организмов. Таким образом, благодаря этим свойствам поддерживается открытость биосферы как системы.

Словарь

1. Биогенные элементы – это минеральные элементы, являющиеся составной частью организмов и играющие значительную роль в их жизнедеятельности. К таким элементам относят кислород, углерод, водород, азот.

Понятие и краткое описание

Круговорот веществ в биосфере – это «путешествие» определённых химических элементов по пищевой цепи живых организмов, благодаря энергии Солнца. В процессе «путешествия» некоторые элемент, по разным причинам, выпадают и остаются как правила, в земле. Их место занимают такие же, которые, обычно, попадают из атмосферы. Это максимально упрощенное описание того, что является гарантией жизни на планете Земля. Если такое путешествие почему-то прервется, то и существование всего живого прекратится.

Чтобы описать кратко круговорот веществ в биосфере необходимо поставить несколько отправных точек. Во-первых, из более чем девяноста химических элементов, известных и встречающихся в природе, для живых организмов, необходимо около сорока. Во-вторых, количество этих веществ ограничено. В-третьих, речь идет только о биосфере, то есть о жизнь содержащей оболочке земли, а, значит, о взаимодействиях между живыми организмами. В-четвертых, энергией, которая способствует круговороту, является энергия, поступающая от Солнца. Энергия, рождающаяся в недрах Земли в результате различных реакций, в рассматриваемом процессе участия не принимает. И последнее. Необходимо опередить точку отсчета этого «путешествия». Она условна, так как не может быть конца и начала у круга, но это необходимо для того, чтобы с чего-то начать описывать процесс. Начнем с самого нижнего звена трофической цепи – с редуцентов или могильщиков.

Ракообразные, черви, личинки, микроорганизмы, бактерии и прочие могильщики, потребляя кислород и используя энергию, перерабатывают неорганические химические элементы в органическую субстанцию, пригодную для питания живыми организмами и дальнейшего ее движения по пищевой цепи. Далее эти, уже органические вещества, едят консументы или потребители, к которым относятся не только животные, птицы, рыбы и тому подобное, но и растения. Последние являются продуцентами или производителями. Они, используя эти питательные вещества и энергию, вырабатывают кислород, который является основным элементом, пригодным для дыхания всего живого на планете. Консументы, продуценты и, даже редуценты погибают. Их останки, вместе с органическими веществами, находящимися в них, «падают» в распоряжение могильщиков.

И все повторяется вновь. Например, весь кислород, существующий в биосфере, делает свой оборот за 2000 лет, а углекислый газ за 300. Такой кругооборот принято называть биогеохимическим циклом.

Роль замкнутого круговорота

Один из основных примеров замкнутого круговорота веществ в биосфере – это круговорот воды. Вода играет существенную роль в жизни всех биологических организмов, она является неотъемлемой частью их клеток, тканей и органов. Замкнутый круговорот воды включает испарение из океанов, образование облаков, осадки в виде дождя, снега или града, проникновение воды в почву, циркуляцию воды через растения, животных и почвенные микроорганизмы, а также ее возвращение в океаны через ливни и реки. Таким образом, замкнутый круговорот воды позволяет поддерживать водный баланс в биосфере и обеспечивает жизненно важные процессы для всех организмов.

Наиболее известной частью замкнутого круговорота веществ является процесс фотосинтеза. Растения поглощают углекислый газ из атмосферы и с помощью солнечной энергии превращают его в органические вещества, освобождая кислород. Это означает, что растения выполняют роль производителей, которые производят органическое вещество и синтезируют пищу для других организмов. Затем этот органический материал переходит по пищевой цепи к потребителям, которые поглощают его и используют для своего роста и развития. В конечном итоге, эти организмы умирают и разлагаются, освобождая вещества, которые могут быть вновь усвоены растениями и начинается новый круговорот.

Очень важным аспектом замкнутого круговорота веществ является его способность поддерживать устойчивое и равновесное состояние биосферы. Природные системы имеют тенденцию к саморегулированию и в случае нарушения баланса, они обладают механизмами, которые способны компенсировать эти изменения и восстановить равновесие. Замкнутый круговорот веществ является одним из этих механизмов, который позволяет сохранять и перерабатывать вещества в биосфере, сохраняя тем самым равновесие и устойчивость системы.

*Круговорот азота

Запасы азота в атмосфере практически неисчерпаемы (около 78 % по объему). Однако большинство живых организмов не  могут использовать его непосредственно. Поэтому важным звеном в круговороте азота является его фиксация и перевод в доступную для организмов форму. Различают три пути фиксации азота.

Биологическая (почвенная) фиксация осуществляется микроорганизмами. Азотфиксирующие бактерии могут превращать биологически недоступный молекулярный азот атмосферы в соединения, доступные для зеленых растений.

!  Это интересно

Азотфиксирующие микроорганизмы делятся на две группы: живущие самостоятельно и симбионты высших растений. Свободноживущие азотфиксаторы — цианобактерии. Самые известные азотфиксаторы-симбионты, связывающие азот, находятся в клубеньках бобовых растений. Клубеньковые бактерии являются основными поставщиками фиксированного азота на суше. На использовании клубеньковых бактерий основан традиционный метод повышения плодородия почвы. На поле сначала выращивают горох или другие бобовые культуры, потом их запахивают в землю, и накопленный в их клубеньках связанный азот переходит в почву. Затем поле засевают другими культурами, которые могут использовать азот для построения аминокислот, белков и  своего роста.

Азот в составе растений попадает в организм травоядных животных, а затем — хищных. После отмирания живых организмов (растений, животных) детрит разлагается редуцентами с выделением аммиака NH₃. Нитрифицирующие бактерии окисляют аммиак до нитритов и нитратов, которые усваиваются растениями, а денитрифицирующие бактерии при разложении детрита возвращают молекулярный азот обратно в атмосферу.

Часть фиксированного азота почвы выносится в реки, а из них в моря и океаны, вызывая их загрязнение.

!  Это интересно

Если нитратов и нитритов в почвенных растворах много, их много и в растительных продуктах питания. Нередко их концентрация в десятки раз превышает предел, установленный Всемирной организацией здравоохранения (45 мг/л).Зарегистрированы случаи заболевания людей и животных, связанные с высоким содержанием нитратов в растительных пищевых продуктах, кормах и воде. Существуют рекомендации, позволяющие снизить содержание нитратов в пищевых продуктах.

Атмосферная фиксация. В атмосфере связанный азот образуется при разрядах молний, вызывающих взаимодействие азота с кислородом с образованием оксида азота, а затем диоксида азота. Диоксид азота растворяется в водяных парах, образуя азотную кислоту (HNO₃), которая вместе с осадками попадает в почву. На долю атмосферной фиксации азота приходится около 3 % ежегодной азотфиксации в биосфере.

Промышленная фиксация. Цивилизация существенно усилила поступление связанного азота  в биосферу. При высокотемпературных процессах сгорания топлива на электростанциях и в транспортных двигателях азот воздуха окисляется и в виде оксидов попадает в атмосферу. Большое количество азота ежегодно связывается промышленным путем при производстве минеральных азотных удобрений. Азот из таких удобрений усваивается растениями в аммонийной и нитратной формах.

В результате антропогенные потоки связанного азота стали примерно равны природным. Уже сейчас это приводит к серьезным локальным и региональным последствиям.

Круговорот азота

Азот — один из самых распространенных элементов в биосфере. Основная часть биосферного азота находится в атмосфере в газообразной форме. Как известно из курса химии, химические связи между атомами в молекулярном азоте (N₂) очень прочные. Поэтому большинство живых организмов не способны использовать его непосредственно. Отсюда важным этапом в круговороте азота является его фиксация и перевод в доступную для организмов форму. Различают три пути фиксации азота.

Атмосферная фиксация. Под воздействием атмосферных электрических разрядов (молний) азот может взаимодействовать с кислородом с образованием оксида (NO) и диоксида (NO₂) азота. Оксид азота (NO) при этом очень быстро окисляется кислородом и превращается в диоксид азота. Диоксид азота растворяется в парах воды и в виде азотистой (HNO₂) и азотной (HNO₃) кислот с осадками попадает в почву. В почве в результате диссоциации этих кислот образуются нитрит- (NO₂–) и нитрат-ионы (NO₃–). Нитрит- и нитрат-ионы уже могут поглощаться растениями и включаться в биологический круговорот. На долю атмосферной фиксации азота приходится около 10 млн т азота в год, что составляет около 3 % ежегодной азотфиксации в биосфере.

Биологическая фиксация. Она осуществляется азотфиксирующими бактериями, которые переводят азот в доступные для растений формы. Благодаря микроорганизмам связывается около половины всего азота. Наиболее известны бактерии, фиксирующие азот в клубеньках бобовых растений. Они поставляют растениям азот в виде аммиака (NH₃). Аммиак хорошо растворим в воде с образованием иона аммония (NH₄+), который и усваивается растениями. Поэтому бобовые — лучшие предшественники культурных растений в севообороте. После отмирания животных и растений и разложения их остатков почва обогащается органическими и минеральными соединениями азота. Далее гнилостные (аммонифицирующие) бактерии расщепляют азотсодержащие вещества (белки, мочевину, нуклеиновые кислоты) растений и животных до аммиака. Этот процесс называется аммонификацией. Большая часть аммиака впоследствии подвергается окислению нитрифицирующими бактериями до нитритов и нитратов, которые вновь используются растениями. Возвращение азота в атмосферу происходит путем денитрификации, которую осуществляет группа денитрифицирующих бактерий. В результате происходит восстановление азотистых соединений до молекулярного азота. Часть азота в нитратной и аммонийной формах с поверхностным стоком попадает в водные экосистемы. Здесь азот усваивается водными организмами или поступает в донные органические отложения.

Промышленная фиксация. Большое количество азота ежегодно связывается промышленным путем при производстве минеральных азотных удобрений. Азот из таких удобрений усваивается растениями в аммонийной и нитратной формах. Объем выпускаемых азотных удобрений в Беларуси в настоящее время составляет около 900 тыс. т в год. Крупнейшим производителем является ОАО «ГродноАзот». На данном предприятии выпускают карбамид, аммиачную селитру, сульфат аммония и другие азотные удобрения.

Примерно 1/10 искусственно внесенного азота используется растениями. Остальное с поверхностным стоком и грунтовыми водами переходит в водные экосистемы. Это приводит к накоплению в воде больших количеств соединений азота, доступных для усвоения фитопланктоном. В результате возможно бурное размножение водорослей (эвтрофикация) и, как следствие, заморы в водных экосистемах.