Биосфера Земли – это подвижная динамическая система, которая постоянно обменивается с другими геологическими оболочками как химическими элементами, так и энергией. Круговорот веществ в биосфере носит непрерывный характер и происходит при участии живых организмов. Его еще называют биогеохимическим циклом.

История открытия

Изучение глобальных природных циклов началось в первой половине XIX века. В 1809 году знаменитый французский естествоиспытатель Ламарк кратко описал концепцию биосферы.

В середине XIX столетия известные химики Буссенго и Либих сформулировали основные принципы круговорота веществ. В 1875 году австрийский геолог Зюсс впервые ввел в научный обиход термин «биосфера».

Основоположником учения о биосфере и биогеохимических циклах считается выдающийся российский ученый Владимир Вернадский. Он первый указал на неразрывную связь между живой и неживой природой и оценил ключевую роль организмов в преобразовании облика планеты.

Ученый предположил, что биологический оборот вещества – это главный фактор миграции химических элементов.

Виды круговоротов

Химические вещества, которые доступны для живых организмов в биосфере, ограничены. Поэтому только цикличность процессов позволяет жизни непрерывно существовать и развиваться на протяжении миллиарда лет.

Различают три круговорота:

  • биологический;
  • геологический;
  • антропогенный.
Геологический или большой круговорот происходит под воздействием солнечной, гравитационной и внутренней энергии планеты, излучения. Организмы не принимают в нем участия. Он работает на протяжении всей геологической истории планеты.

После появления первых живых организмов на планете запустился биологический круговорот – его еще называют малым. Он представляет собой непрерывный процесс превращения элементов и веществ.

Биотический круговорот ограничен границами биосферы. Для растений и животных наиболее важны биогенные циклы воды, углерода, фосфора, азота, серы.
Круговорот

Совокупность биологических и геологических процессов составляет биогеохимический цикл.

Антропогенный круговорот – следствие вмешательства человека. Здесь есть две составляющие: одна из них связана с биологической природой человека, вторая – с его деятельностью.

Значение и суть циклов

Биогеохимический цикл – это сложный комплекс перемещения различных веществ в биосфере и других геологических оболочках. Такие циклы обеспечивают постоянство биосферы, дают возможность для ее саморегуляции.

Любой подобный цикл не замкнут полностью – обратимость основных химических элементов составляет примерно 95%. Несбалансированный круговорот веществ – одна основных особенностей подобных циклов, которая имеет планетарное значение.

Солнце – главный источник энергии, обеспечивающий круговорот веществ. Это основная движущая сила биогеохимических циклов.

Большой круговорот перераспределяет элементы между биосферой и глубокими слоями планеты. Он связан с вулканической активностью, перемещением огромных воздушных и водных масс, процессами разрушения пород.

Важнейшим фактором, влияющим на перемещение веществ и превращение энергии, являются живые организмы.Пищевая цепь

Растения-автотрофы, используя энергию фотосинтеза, превращают неорганические соединения в органические, которые затем используют консументы и деструкторы. Биологический круговорот приводит к перемещению и перераспределению огромного количества химических веществ.

За миллиарды лет эволюции живые организмы существенно изменили облик планеты. Они насытили атмосферу кислородом и азотом, создали огромные осадочные отложения, изменили ландшафты, образовали почву.

Резервный и обменный фонды

В биологическом круговороте веществ участвуют 30-40 элементов периодической системы. Некоторые из них, включая углерод, азот, кислород, нужны организмам в значительных количествах, другие – в самых минимальных.

Необходимые вещества практически никогда не бывают распределены в природе равномерно, нередко они находятся в малопригодной форме. Элементы, участвующие в процессе круговорота веществ, могут быть в составе одного из двух фондов:

  • резервного;
  • обменного.

Первый обладает значительной массой, но практически не связан с биосферой. Второй – имеет меньший объем, но непосредственно связан с живыми организмами и энергично взаимодействует с ними. Газообразные вещества имеют резервный фонд в воде и атмосфере, а элементы осадочного цикла – в коре.

Редуценты и их функции

Редуценты – это организмы, которые разлагают биологические останки, превращая их в простейшие соединения. Тем самым они возвращают полезные элементы и воду в круговорот веществ и энергии. К этой группе в основном относятся грибы и бактерии.Факторы созревания компоста

Обменный фонд элементов, из которого обеспечивают свои потребности большинство организмов, может пополняться двумя путями:

  • при первичной экскреции;
  • при разложении останков редуцентами.

Второй путь пополнения обменного фонда особенно важен для биоценозов степей, лесов, пастбищ. Поэтому грибы и бактерии, включаясь в круговорот веществ, выполняют важнейшую работу.

Важнейшие циклы

В биогеохимическом цикле участвуют многие химические элементы. Самыми важными из них считаются: круговорот кислорода, азота, углерода, водорода, серы, фосфора, а также некоторых металлов.

Первые четыре элемента требуются в особенно больших количествах – из них строятся большинство биологических молекул.

Не менее важен круговорот серы и круговорот фосфора – эти элементы включены в состав белков, ДНК и АТФ.

Вода

Живые организмы активно участвуют в круговороте воды в природе. Растения используют ее в процессе фотосинтеза, а затем выделяют при дыхании. Вода нужна животным и другим гетеротрофам.Пресная вода

Ежегодно в цикл вовлекается около 500 тыс. куб. км воды. Схема ее круговорота замкнута, в ее состав входит нескольких этапов:

  • испарение воды;
  • выпадение в виде осадков;
  • перенос в реки и другие водоемы.

Вода не только необходима для метаболизма, с ее помощью осуществляется растворение и перенос элементов и соединений. Для круговорота воды характерна высокая скорость обновления.

Углерод

Углерод – настоящая основа жизни на планете. В схему его круговорота в природе вовлечены все биологические объекты.

Основным резервуаром этого элемента является углекислый газ воздуха. В процессе фотосинтеза автотрофы продуцируют из него углеводы, которыми питаются другие организмы. Можно сказать, что растения – это движущая сила данного цикла в биосфере. Автотрофы замыкают круг, возвращая в процессе дыхания COв атмосферу.

Углекислый газ из атмосферы – это обменный фонд углерода для водорослей и наземных растений. Ученые подсчитали, что живые организмы за восемь лет прогоняют через себя весь углерод воздуха.

Значительный запас этого элемента скрыт в виде угля, нефти, газа, осадочных пород. В его круговороте велика роль антропогенного фактора. За последние десятилетия благодаря нашей деятельности в атмосферу попали миллионы тонн углерода.

Азот

АзотЭтот элемент содержится в белках, АТФ, хлорофилле и ДНК, поэтому все организмы принимают активное участие в схеме круговорота азота.

Главным резервным фондом свободного азота в биосфере является атмосфера, где он содержится в газообразном состоянии. В таком виде он недоступен для растений, которые могут усваивать его только в виде ионов или сложных соединений. Ключевую роль в круговороте азота в природе играют микроорганизмы, которые улавливают этот элемент из воздуха, а затем нитрифицируют его.

Растения поглощают нитраты, превращая их в аминокислоты, затем они передаются по пищевой цепочке.

Без бактерий, улавливающих азот из воздуха, жизнь на планете практически прекратиться.

В последние время на круговорот азота все большее влияние оказывает человек.

Сера

СераЭтот элемент находится в составе аминокислот и ряда других биологических молекул, поэтому круговорот серы так важен для живых организмов.

Резервуаром элемента являются сульфиды горных пород. Ключевую роль в схеме круговорота серы в природе играют микроорганизмы, которые превращают серные соединения в сульфаты. Это единственная форма, пригодная для усвоения растениями. В дальнейшем элемент следуют по пищевой цепи.

Сера скапливается в океанах, куда попадает с речными стоками.

В последние годы на круговорот серы все большее влияние оказывает деятельность человека. Это происходит потому, что выбросы предприятий принимают все более угрожающие масштабы.

Фосфор

ФосфорФосфор входит в состав многих органических соединений: аминокислот, АТФ, нуклеиновых кислот. Поэтому круговорот фосфора чрезвычайно важен для биосферы.

Резервуаром этого элемента служат отложения и горные породы. Он может усваиваться растениями исключительно в виде ионов PO34+. Дальше он потребляется животными.

Круговорот фосфора в природе имеет одну особенность. Соединения элемента, попав в океан, опускаются на дно и превращаются в осадочные породы. Следовательно, круговорот фосфора в биосфере постоянно уменьшается.

Кислород

КислородЭтот элемент играет ключевую роль в процессах клеточного дыхания, поэтому круговорот кислорода так важен для биосферы. Его главными продуцентами являются зеленые растения – кислород образуется в процессе фотосинтеза. Все остальные организмы на нашей планете потребляют данный элемент.

Круговорот кислорода в биосфере начинается с молекул хлорофилла, где он появляется в качестве побочного продукта реакции фотолиза. Затем растения выделяют газ в атмосферу, где он расходуется на процессы дыхания и окисления. Весь кислород воздуха имеет биогенное происхождение. Его природным резервуаром служит вода.

В последние столетия на круговорот кислорода в природе активно влияет человек. Он сжигает большое количество этого газа при использовании ископаемого топлива.

Свинец

СвинецСвинец – это тяжелый токсичный элемент, который появился в земной коре в результате подъема из мантии и радиоактивного распада урана и тория. Его основной природный резервуар – горные породы. При их разрушении происходит перенос свинца в почву и воду, а потом – в живые организмы.

Существуют строгие нормы содержания свинца в воде, пище и воздухе. Их превышение грозит серьезным отравлением, в том числе и с летальным исходом. Опасны и многочисленные сложные вещества, содержащие этот металл.

Сейчас основным источником свинца является антропогенное загрязнение.

Ртуть

РтутьЭто тяжелый и очень ядовитый металл, который не относится к биогенным элементам. В земной коре этот элемент встречается довольно редко, хотя и в очень концентрированной форме. В биосферу ртуть может попадать в газообразной форме или в виде растворов.

В небольших количествах этот металл входит в состав нефти.

Ртуть широко используется в промышленности, поэтому главный источник попадания этого металла в биосферу – выбросы с производств.

Из-за высокой токсичности ртути за ее оборотом осуществляется жесткий контроль.

Железо

ЖелезоЖелезо является одним из самых распространенных химических элементов в природе. В чистом виде оно практически не встречается, чаще всего этот металл находят в виде сульфидов, оксидов или силикатов.

Железо – самый популярный и используемый металл, велико и его биологическое значение. Он входит в состав дыхательных ферментов, которые осуществляют перенос кислорода к тканям. У человека и других животных к ним относится гемоглобин. Он обладает способностью обратимо связываться с кислородом.

Происхождение железа – наглядный пример воздействия живых организмов на неорганическое вещество. Большинство существующих месторождений железа – продукт жизнедеятельности железобактерий. Эти организмы окисляют металл до гидроксида, получая при этом энергию.

Скорость биогеохимических процессов

В природе все круговороты веществ протекают с разной скоростью. На нее влияет множество факторов. Например, форма нахождения элемента, активность его взаимодействия, роль в метаболических процессах и многое другое.

Круговорот кислорода занимает примерно 2 тыс. лет. За этот срок весь газ из атмосферы проходит через живое вещество. Скорость круговорота воды может достигать 2 млн лет, причем время обновления сильно зависит от ее местонахождения (грунт, ледники или атмосфера). Еще больше времени занимают циклы более редких элементов. Например, круговорот фосфора занимает многие миллионы лет.

Понравилась ли Вам статья?

Нажмите на звездочку =)

Средний рейтинг 0 / 5. Голосов: 0

Стань первым! Голосов еще нет.

Нам очень жаль, что статья вам не понравилась!

Помогите нам улучшить контент!

Подскажите, пожалуйста, как мы можем ее улучшить?

0 0 vote
Article Rating