Лекции по экологии (стр. 1 из 8)
2.6. КРУГООБОРОТЫ ВЕЩЕСТВ В БИОСФЕРЕ
Основой динамического равновесия и стойкости биосферы является кругооборот веществ и превращения энергии, который состоит из многообразных процессов. Хорошо известны глобальные процессы кругооборота воды, кислорода, углерода, азота, фосфора, микроэлементов на Земле. В.Р. Вильямс писал, что единственный способ придать чему-то конечному свойства бесконечного – это заставить конечное вращаться по замкнутой кривой, то есть вовлечь его в кругооборот. В этом высказывании есть доля философского и религиозного понимания сути кругооборотов веществ и превращения энергии. Выделяют два основных кругооборота: большой (геологический) и малый (биологический). Геологический кругооборот веществ имеет наибольшую скорость в горизонтальном направлении между сушей и морем. Смысл большого кругооборота в том, что горные породы подвергаются разрушению, выветриванию, а продукты выветривания, в том числе растворимые в воде питательные вещества, сносятся потоками воды в Мировой океан с образованием морских напластований и возвращаются на сушу лишь частично, например, с осадками или с извлеченными человеком из воды организмами. Далее в течение длительного временного отрезка протекают медленные геотектонические изменения – движение материков, поднятие и опускание морского дна, вулканические извержения и т.д., в результате которых образовавшиеся напластования возвращаются на сушу и процесс начинается вновь. Малый кругооборот, являясь частью большого, происходит на уровне биогеоценоза. Он состоит в том, что питательные вещества почвы, вода, CO2 и другие вещества из атмосферы за счет фотосинтеза аккумулируются в веществе продуцентов (растений и некоторых бактерий), расходуются на построение тел и жизненные (обменные) процессы продуцентов и консументов. Затем в основном за счет редуцентов органические вещества разлагаются и частью минерализуются, вновь становятся доступными растениям и снова ими вовлекаются в поток вещества (кругооборот). Скорость перемещения веществ при биологическом кругообороте значительно выше, чем при геологическом. Кругооборот (перемещение) химических веществ из неорганической среды через растительные и животные организмы обратно в неорганическую среду с использованием солнечной энергии с протеканием биохимических превращений (реакций) носит название биогеохимического цикла. Годичные биогеохимические циклы приводят в движение примерно 480 млрд т веществ, в основном биофильных элементов – углерода, азота, водорода, кислорода и др.
Этот кругооборот, как и большая часть других кругооборотов, может быть представлен в виде упрощенной схемы (рис. 2.5.): 
Рис. 2.5. Кругооборот углерода
Кругооборот углерода, как и любого другого элемента, совершается как по большому, так и по малому циклам.
Большой (геологический) кругооборот углерода можно представить в виде схемы (рис. 2. 6.).
В атмосфере и водных источниках присутствует углекислый газ СО2. Под его действием, а также при участии ветра и воды (Н2О) частью изменяется состав горных пород (например, карбонатных: известняка СаСО3, магнезита МgCO3, доломита СаСО3×МgCO3):
СаСО3 + СО2 + Н2О ® Са(НСО3)2
МgCO3 + СО2 + Н2О ® Мg(НСО3)2 .
Образующиеся растворимые соли (гидрокарбонаты) вымываются и выносятся в океан, частью насыщает воду океана. Частью же под воздействием неорганических условий и фильтрации воды через живые организмы (например, моллюски) эта соль преобразуется и отлагается на дне океана в виде осадочных пород (того же, например, СаСО3, частью представленного в виде ракушечника, как остатки раковин умерших моллюсков) (пункты 6, 7 рис. 2.5.). Осадочные породы претерпевают метаморфоз (различные превращения), а также под действием тектонических сил перемещаются в глубину земной коры, откуда частью через длительный период поднимаются на поверхность, а быстрее идут процессы под действием вулканических извержений, которые являются вновь источниками углерода в атмосфере в виде СО2, а иногда и СО, окисляющегося до СО2.
Биотический кругооборот углерода – составная часть большого кругооборота, он связан с жизнедеятельностью организмов.
Рис. 2.6. Большой (геологический) кругооборот углерода
Запасы углерода, содержащегося в виде СО2, в атмосфере составляют 23,5×1011 т. Органическое вещество синтезируется зелеными растениями из СО2 атмосферы (пункт 1, рис. 2.5.), содержание которого там лишь 0,03 – 0,04 % (табл.2.8), а затем вместе с веществом растений (продуцентов) потребляется консументами разных трофических уровней (пункт 2, рис. 2.5.).
Синтез органических веществ зеленые растения осуществляют с помощью энергии солнечного излучения из СО2 и Н2О в процессе фотосинтеза.
Таблица 2.8. Количество углекислого газа в атмосфере и его кругооборот, в кг
| По Ю.Саксу | По Г.Гредеру | По Е.Рейнау | |
| Количество СО2 | 2500×1012 | 2100×1012 | 1530×1012 |
| Усваивается растениями за год | 648×1012 | 60×1012 | 86,5×1012 |
| За сколько лет растения вычерпали бы запасы СО2 в атмосфере | 4 | 35 | 18 |
Значение света для зеленых растений подчеркивал еще Аристотель: «Те части растений, в которых влажное не смешивается с солнечными лучами, остаются белыми».
В 1777 г. Д. Пристли открыл, что растения днем выделяют кислород, очищая воздух, «испорченный» горением или дыханием животных. Сам процесс фотосинтеза был досконально изучен К.А. Тимирязевым (1843-1920). По Тимирязеву, процесс фотосинтеза протекает под воздействием содержащегося в зеленых частях растений сложного органического вещества – хлорофилла, спектр поглощения которого показан на рис. 2.7. Коэффициент использования энергии солнечного света при фотосинтезе невелик (» порядка 2 %).
Поглощение420 500 580 660 740 Длина волны, мкм
Рис. 2.7. Спектр поглощения хлорофилла
Усвоение СО2 растениями при фотосинтезе эндотермический процесс, который протекает с поглощением большого количества теплоты с DН=112 ккал/моль в случае синтеза глюкозы:
hn
6СО2 + 6Н2О = С6Н12О6 + 6О2 – 674 ккал.
В 1961 г. за раскрытие механизма фотосинтеза американскому ученому М. Келвину присуждена Нобелевская премия. Механизм фотосинтеза такой: попадая в клетку зеленого листа, СО2 присоединяется к акцептору (углеводрибулезодифосфат), с которым продолжается дальнейшее передвижение и превращение. Благодаря ферменту альдолазы образуется глюкоза С6Н12О6, а далее – сахароза С12Н22О11, крахмал (С6Н10О5)n и другие углеводы Сn(Н2О)m. Суммарно фотосинтез можно выразить так:
hn
nСО2 + mН2О = Сn(Н2О)m + nО2 – Q.
Фотосинтез осуществляется за счет энергии солнечных лучей (26500 млрд ккал/с на всей земной поверхности).
Часть синтезированного в этом процессе вещества снова переходит к акцептору. Так и реализуется циклический процесс. Только циклические процессы могут быть саморегулирующимися (фотосинтез в их числе). Дальше с помощью других ферментов из углеводов синтезируются белки, жиры и другие нужные для жизни растений органические вещества.
Следует заметить, что содержание СО2 в атмосфере невелико, и он бы полностью исчерпался за 4-35 лет (табл. 2.8.).
Откуда же он поступает в атмосферу? Ежегодно все растения и животные выдыхают СО2 1013-1014 кг, а люди – 1,08×1012 кг (пункты 3,4; рис.2.5).
Экзотермическая реакция окисления углерода до СО2 протекает в тканях живого организма под действием вдыхаемого кислорода, который переносится по кровеносной системе посредством гемоглобина – сложного органического вещества (с молярной массой М»68000 г/моль), содержащего 4 атома железа, каждый из которых способен связывать одну молекулу О2.
Процесс дыхания упрощенно можно изобразить схематически так (где Гем – гемоглобин):
1) Гем + О2 = Гем·О2 (легкие: вдыхание);
2) Перенос с кровью в ткани;
3) Гем·О2 + С (из пищи) = Гем·СО2 (ткани);
4) Перенос в легкие;
5) Гем·СО2 = Гем + СО2(легкие: выдыхание).
Таким образом, можно сказать, что гемоглобин ведет себя как катализатор. Другие источники поступления СО2 в атмосферу – извержения вулканов, кислотные дожди, действующие на известняки (пункт 8, рис. 2.5). Часть СО2 образуется при гниении, разложении, отмирании живых организмов под действием редуцентов, а также при пожарах и, наконец, при антропогенном воздействии. Так, ежегодно в промышленности и на транспорте при сжигании топлива выбрасывается в атмосферу 1,5×1012 кг СО2 и эта цифра ежегодно растет, что создает глобальную проблему - парниковый эффект.
Если бы не происходило побочных процессов, то количество СО2, выделяемого в атмосферу и усваиваемого растениями, было бы одинаковым. Однако же часть углерода временно выводится из кругооборота за счет частичной минерализации останков растений (пункт 5, рис. 2.5) и животных (пункт 6, рис. 2.5) с образованием торфа, нефти, углей и других ископаемых в литосфере.