Материал: Рындевич. Основы экологии

161

В

результате

образуются

биогенное

и

биокосное

вещества

биосферы

. 

Другими

словами

, 

благодаря

этой

функции

в

биосфере

существует

круговорот

веществ

.  

Для

существования

и

развития

  (

эволюции

) 

жизни

на

планете

крайне

важно

, 

чтобы

происходил

круговорот

биологически

важ

-

ных

веществ

, 

т

. 

е

. 

после

использования

они

должны

вновь

пере

-

ходить

в

окружающую

среду

, 

а

затем

снова

усваиваться

организ

-

мами

. 

Этот

переход

может

осуществляться

только

при

опреде

-

ленных

затратах

энергии

. 

Источником

этой

энергии

в

основном

является

Солнце

. 

Благодаря

ему

в

биосфере

протекают

процессы

, 

которые

воздействуют

на

развитие

биосферы

и

эволюцию

ее

со

-

ставляющих

. 

Этими

процессами

являются

геологический

и

био

-

логический

круговороты

веществ

.  

 
 

5.1.5 

Геологический

круговорот

веществ

  

в

биосфере

Геологический

  (

абиотический

, 

большой

) 

круговорот

веществ

возник

задолго

до

появления

жизни

на

Земле

. 

Геологический

круговорот

веществ

 — 

процесс

циркуляции

воды

, 

ми

-

неральных

веществ

и

газов

между

сушей

, 

атмосферой

и

Мировым

океаном

. 

В

процессе

геологического

круговорота

с

одного

места

в

другое

в

масштабе

всей

Земли

перемещаются

минеральные

соединения

, 

вода

, 

газы

, 

а

также

изменяется

агрегатное

состояние

воды

 (

жидкая

; 

твердая

 — 

снег

, 

лед

; 

газообразная

 — 

пар

). 

В

основе

этого

кругово

-

рота

лежит

абиотический

круговорот

воды

, 

который

происходит

без

участия

живых

организмов

. 

Наиболее

интенсивно

вода

цирку

-

лирует

в

газообразном

состоянии

.  

Источником

энергии

для

большого

круговорота

выступает

Солнце

. 

Геологический

круговорот

очень

энергоемкий

процесс

. 

На

Землю

ежегодно

поступает

примерно

 21 · 10

20

кДж

солнечной

энергии

. 

Около

половины

ее

расходуется

на

испарение

воды

. 

До

30% 

солнечной

энергии

отражается

облаками

и

поверхностью

Земли

, 

около

 20% 

поглощается

в

верхних

слоях

атмосферы

обла

-

ками

и

пылевыми

частицами

, 

содержащимися

в

воздухе

.  

Солнце

нагревает

поверхность

Мирового

океана

, 

и

вода

испаря

-

ется

. 

В

процессе

этого

она

меняет

свое

агрегатное

состояние

, 

т

. 

е

. 

из

Ре

по

зи

то

ри

й

Ба

рГ

У

162 

жидкого

состояния

переходит

в

газообразное

 — 

пар

  (

рис

. 5.1.3).  

В

атмосфере

водяной

пар

конденсируется

в

мельчайшие

капель

-

ки

воды

, 

из

которых

состоят

облака

. 

Затем

вода

выпадает

в

виде

осадков

 (

дождь

, 

град

, 

снег

) 

на

землю

. 

Испарение

воды

происхо

-

дит

и

с

поверхности

суши

, 

хотя

и

в

значительно

меньших

количе

-

ствах

, 

чем

с

поверхности

океана

. 

Круговорот

воды

в

биосфере

ос

-

нован

на

том

, 

что

ее

суммарное

испарение

с

поверхности

Земли

компенсируется

выпадением

осадков

. 

При

этом

из

океана

испаря

-

ется

воды

больше

  (

что

объясняется

большей

площадью

), 

чем

воз

-

вращается

с

осадками

. 

На

суше

, 

наоборот

, 

больше

выпадает

осад

-

ков

, 

чем

испаряется

воды

. 

Излишки

ее

стекают

в

водоемы

и

водо

-

токи

, 

а

оттуда

снова

попадают

в

океан

.  

Вместе

с

водой

в

биосфере

осуществляется

интенсивная

мигра

-

ция

газов

. 

Благодаря

круговороту

воды

с

суши

в

Мировой

океан

в

растворенном

виде

попадает

масса

минеральных

веществ

. 

В

обрат

-

ном

направлении

минеральные

вещества

из

океана

мигрируют

на

сушу

в

результате

приливов

.  

 
 

Рисунок

 5.1.3 — 

Схема

геологического

круговорота

веществ

в

биосфере

Ре

по

зи

то

ри

й

Ба

рГ

У

163

5.1.6 

Биологический

круговорот

веществ

  

в

биосфере

Биологический

круговорот

веществ

  (

биотический

, 

малый

) 

воз

-

ник

на

основе

геологического

в

период

зарождения

жизни

на

Земле

.  

Биологический

круговорот

веществ

 — 

процесс

циркуляции

биологически

важных

химических

соединений

между

живыми

орга

-

низмами

и

окружающей

средой

в

пределах

экосистем

и

биосферы

.  

В

биологическом

круговороте

самыми

важными

моментами

яв

-

ляются

синтез

и

разрушение

органических

веществ

. 

Эти

два

про

-

цесса

находятся

в

определенном

сбалансированном

отношении

. 

Баланс

между

образованием

и

минерализацией

органических

ве

-

ществ

относителен

. 

Это

своеобразный

фактор

, 

обусловливающий

разнообразие

живого

вещества

биосферы

. 

Увеличение

количества

первичного

органического

вещества

способствует

увеличению

раз

-

нообразия

живых

организмов

и

, 

соответственно

, 

темпов

эволюции

.  

В

противоположность

геологическому

, 

биологический

круговорот

не

является

энергоемким

процессом

. 

На

создание

первичного

органи

-

ческого

вещества

затрачивается

всего

 0,1—0,2% 

падающей

на

Землю

солнечной

энергии

. 

Больше

половины

аккумулированной

в

процессе

фотосинтеза

энергии

расходуется

продуцентами

на

дыхание

и

другие

жизненные

процессы

, 

а

остальная

часть

поступает

в

пищевые

цепи

.  

Малый

круговорот

в

биосфере

представляет

собой

комплекс

биогеохимических

циклов

  (

круговороты

углерода

, 

азота

, 

кислоро

-

да

, 

фосфора

, 

серы

и

т

. 

п

.).  

Процессы

перехода

различных

химических

элементов

в

био

-

сфере

протекают

с

разной

скоростью

. 

Так

, 

кислород

, 

содержащий

-

ся

в

атмосфере

, 

поступает

в

организмы

и

обратно

в

окружающую

среду

, 

связываясь

с

углеродом

при

дыхании

и

высвобождаясь

при

фотосинтезе

, 

за

 2 000 

лет

. 

Углекислый

газ

совершает

круговорот

в

обратном

направлении

за

 300 

лет

, 

а

вода

разлагается

и

воссоздается

путем

фотосинтеза

и

дыхания

за

 2 000 000 

лет

 (

рис

. 5.1.4).  

Миграцию

веществ

в

биогеохимических

циклах

можно

рас

-

смотреть

на

примере

круговорота

углерода

и

азота

.  

В

атмосфере

углерод

содержится

в

виде

углекислого

газа

. 

Кру

-

говорот

углерода

начинается

с

фиксации

углекислого

газа

фото

-

синтезирующими

растениями

, 

зелеными

и

пурпурными

бактерия

-

ми

, 

а

также

цианобактериями

в

процессе

фотосинтеза

.  

Ре

по

зи

то

ри

й

Ба

рГ

У

164 

Рисунок

 5.1.4 — 

Круговорот

воды

, 

кислорода

и

углекислого

газа

  

(

по

П

. 

Кла

-

уду

и

А

. 

Джибору

 [16]) 

 
 

Углерод

, 

входящий

в

состав

молекул

углекислого

газа

, 

идет

на

построение

молекул

первичного

органического

вещества

проду

-

центов

, 

при

этом

высвобождается

кислород

. 

Частично

, 

в

виде

угле

-

кислого

газа

, 

углерод

выделяется

из

организма

продуцентов

во

время

дыхания

растений

. 

Фиксированный

в

молекулах

органиче

-

ского

вещества

продуцентов

углерод

потребляется

консументами

, 

которые

в

ходе

миграции

веществ

по

пищевым

цепям

перераспре

-

деляют

это

вещество

между

собой

. 

Консументы

при

дыхании

так

-

же

выделяют

углекислый

газ

. 

Умершие

продуценты

и

консументы

разлагаются

редуцентами

, 

в

результате

чего

углерод

мертвого

ор

-

ганического

вещества

окисляется

до

углекислого

газа

и

снова

по

-

падает

в

атмосферу

. 

Подобный

круговорот

углерода

совершается

и

на

суше

 (

рис

. 5.1.5), 

и

в

водной

среде

.  

Ре

по

зи

то

ри

й

Ба

рГ

У

165

Рисунок

 5.1.5 — 

Круговорот

углерода

в

наземных

экосистемах

 [16]) 

 
 

Круговорот

азота

, 

как

и

другие

биогеохимические

циклы

, 

охва

-

тывает

все

среды

жизни

в

биосфере

. 

Наиболее

интенсивно

он

идет

в

наземных

экосистемах

. 

В

круговорот

азота

вовлечены

и

водные

экосистемы

. 

Азот

, 

которого

очень

много

в

атмосфере

, 

усваивается

растениями

лишь

после

соединения

его

с

водородом

или

кислоро

-

дом

 (

рис

. 5.1.6).  

Существует

ювенильная

фиксация

азота

в

процессе

изверже

-

ния

вулканов

, 

а

также

фотохимическая

и

электрохимическая

фик

-

сация

молекулярного

азота

под

действием

солнечной

радиации

и

атмосферных

процессов

. 

Это

 — 

абиотическая

фиксация

. 

Кроме

этого

, 

в

биосфере

происходит

и

биотическая

фиксация

 (

благодаря

живым

организмам

).  

Фиксировать

свободный

азот

могут

свободно

живущие

азот

-

фиксирующие

бактерии

(Azotobacter, Clostridium)

, 

клубеньковые

бактерии

, 

которые

являются

симбионтами

ряда

растений

, 

и

циано

-

бактерии

  (

Nostoc,  Anabaena 

и

  

др

.).  

Способностью

  

фиксировать

Ре

по

зи

то

ри

й

Ба

рГ

У