Биологический круговорот атомов

 

Повсеместно в биосфере наряду с образованием живого вещества и аккумуляцией энергии протекает и противоположный процесс – превращение сложных органических соединений в простые минеральные CO₂, H₂O, NH₃ и т.д. Эта минерализация идет и в самих растениях, которые при дыхании окисляют органические вещества до CO₂ и H₂O. Гораздо энергичнее минерализуют органические вещества животные и еще более энергично – микроорганизмы.

Противоположные процессы образования и разрушения органических веществ в биосфере не могут существовать один без другого, они образуют единый биологический круговорот атомов. Рассмотрим этот круговорот с точки зрения трех известных нам критериев: превращения вещества, энергии, накопления информации.

Продолжительность отдельных циклов биологического круговорота атомов очень различна. Немногие недели живут растения-эфемеры, образующие весной пышный ковер в пустынях Средней Азии. И за это время они успевают накопить органическое вещество, которое в начале лета, после их смерти, в почве быстро разлагается до исходных продуктов – CO₂, H₂O и т.д. Но уже в лесном ландшафте часть атомов углерода, заключенных в древесине, окислится до CO₂ только после смерти деревьев, т.е. через десятки или сотни лет. Наконец, если органическое вещество будет захоронено в осадочных породах и превратится в уголь, окисление которого произойдет только через несколько геологических периодов, круговорот углерода растянется на миллионы лет.

 

Круговорот углерода в биосфере (рис.1)

 

 

Круговороты не замкнуты. Каждый новый цикл не является точным повторением предыдущего, природа не остается неизменной. Вот характерный пример. Представим себе озеро в лесной зоне с травами, растущими в прибрежной полосе (осоки, тростники и др.), богатое рыбой. После каждого годичного цикла круговорота часть атомов углерода, водорода и других элементов, заключенных в органических веществах, не переходит в минеральные соединения, а захороняется на дне озера в форме органического ила – сапропеля. Постепенно озеро мелеет, наконец, наступает момент, когда его котловина полностью зарастает травами и заполняется органическими остатками, озеро превращается в болото. Такова судьба большинства лесных озер, история многих болот.

Можно сказать, что поступательное развитие в биосфере осуществляется через систему круговоротов.

В процессе минерализации органических веществ освобождается энергия, которая была поглощена при фотосинтезе. Она освобождается в виде тепла (вспомним, например, разогревание и даже самовозгорание недостаточно высушенного сена), но главным образом в виде химической энергии, носителями которой являются природные воды. Обогащаясь такими продуктами минерализации, как CO₂, гумусовые кислоты, NH₃, SO₂-₄, H₂S, воды становятся химически высокоактивными, они разрушают («выветривают») горные породы. Таким образом, с энергетической точки зрения биологический круговорот атомов переводит энергию солнечных лучей в другие виды энергии, за счет которых в биосфере выполняется большая работа. Особенно следует отметить превращение солнечной энергии в химическую энергию природных вод и газов.

Нетрудно убедиться также, что в ходе биологического круговорота атомов происходит передача информации, создание новой информации, ее переработка и захоронение, т.е. это также и информационный процесс. Чем энергичнее протекает биологический круговорот атомов, тем большее количество информации при этом перерабатывается.

Положение о круговороте атомов считается одним из основных законов геохимии биосферы – законом биологического круговорота атомов, который сводится к следующему – в биосфере атомы участвуют в биологических круговоротах, в ходе которых они поглощаются живым веществом и заряжаются энергией, затем покидают живое вещество, отдавая накопленную энергию в окружающую среду. За счет этой биогенной энергии осуществляются многие химические реакции. Главными носителями энергии являются природные воды. В результате биологического круговорота атомов происходит изменение химического состава биосферы, само поступательное развитие биосферы осуществляется через систему круговоротов.

Круговорот углерода в биосфере (рис.2)

 

Отжившие растения и животные разлагаются микроорганизмами, в результате чего углерод мертвого органического вещества окисляется до углекислого газа и снова попадает в атмосферу. Подобный круговорот углерода совершается и в водной среде. Фиксированный в растениях углерод в значительном количестве потребляется животными, которые, в свою очередь, при дыхании выделяют его в виде углекислого газа. Согласно имеющимся данным, все зеленые растения Земли ежегодно извлекают из атмосферы до 300 млрд. т. углекислого газа (100 млрд. т. углерода), что совпадает с итоговым поступлением этого газа в атмосферу от разных источников – дыхания растений и животных, промышленности, транспорта и т.п. При этом годичный круговорот массы углерода на суше определяется как массой составляющих его звеньев биосферы, так и количеством углерода, захватываемого каждым звеном (в тоннах за год):

 

 

Суммарный захват фотосинтезом	60∙109
Возврат от дыхания в процессе разложения органического вещества	48∙109
Поступление в гумосферу и консервация в многолетних фитоценозах	10∙109
Захоронение в осадочной толще литосферы, включая реакции углекислого газа с горными породами	1∙109
Поступление от сжигания топлива	4∙109

 

Круговорот углерода в гидросфере является более сложным по сравнению с континентальным, поскольку возврат этого элемента в форме углекислого газа зависит от поступления кислорода в верхние слои воды как из атмосферы, так и из нижележащей толщи. В целом показатели годичного круговорота массы углерода в Мировом океане почти в 2 раза ниже, чем на суше:

 

Суммарный захват в процессе фотосинтеза	30∙109
Возврат в водную среду от дыхания и разложения органического вещества	26∙109
Выпадение в донный осадок	1,5∙109
Поступление из атмосферы от сжигания топлива	1∙109
То же с речным стоком	0,6∙109
Переход в растворенное органическое вещество	0,9∙109

 

Между сушей и Мировым океаном происходит постоянная миграция углерода. Преобладает вынос этого элемента в форме карбонатных и органических соединений с суши в океан. Поступление углерода из Мирового океана на сушу совершается в несравненно меньших количествах, и то лишь в форме углекислого газа, диффундирующего в атмосферу и переносимого воздушными течениями.

Суммарное количество углекислого газа в атмосфере планеты составляет не менее 2,3∙10¹² т., в то время как содержание его в Мировом океане оценивается в 1,3∙10¹⁴ т. В литосфере в связанном состоянии находится 2∙10¹⁷ т. углекислого газа. Значительное количество углекислого газа содержится и в живом веществе биосферы (около 1,5∙10¹² т.), т.е. почти столько, сколько во всей атмосфере. Углекислый газ атмосферы и гидросферы обменивается и обновляется живыми организмами за 395 лет.

 

Круговорот воды

 

Наряду с биологическим круговоротом атомов в биосфере протекает и другой грандиозный круговорот – воды. Это и водообмен океаны-материки, когда вода, испаряясь с поверхности океана, переносится ветрами на континенты и с речным стоком снова возвращается в океан, и маленькие круговороты отдельного ландшафта, когда испарение воды в теплую погоду приводит к облачности и выпадению осадков. С энергетической точки зрения здесь во всех случаях имеет место одна и та же последовательность: солнечная энергия, затраченная на испарение воды, заряжает ее молекулы энергией, которая после конденсации паров воды и выпадения осадков на земную поверхность реализуется в кинетической энергии рек и ручьев. Так же, как и для отдельного живого организма, геологический эффект деятельности каждой дождевой капли, небольшого ручья – ничтожны, но, суммируясь, эти капли и ручьи дают могучие реки, которые за геологические периоды разрушают горные хребты.

Круговорот воды до известной степени можно сравнивать с биологическим круговоротом, так как источником энергии в обоих случаях служит излучение Солнца. Только круговорот воды – главный агент механической работы, а биологический – химической. Правда, вода тоже выполняет химическую работу (растворение, выветривание и т.д.), но она осуществляется при участии живого вещества: или за счет организмов, находящихся в водах, или за счет продуктов их жизнедеятельности – CO₂, гумуса и других химически активных веществ.

Круговорот воды в геологическом времени не замкнут. Большие массы воды поступают в биосферу при вулканических извержениях, а также из зоны метаморфизма в результате отжатия воды при уплотнении глинистых пород, превращения их в сланцы.

С другой стороны, в биосфере протекают многочисленные процессы гидратации, связывающие воду в составе различных глинистых и прочих минералов. При прогибании земной коры в геосинклинальных зона эти гидратированные толщи оказываются на больших глубинах вне биосферы, и воды надолго изымаются из круговорота.

 

Круговорот воды