книги / Основы экологии
..pdfэлементов —водорода, углерода, азота, кислорода, каль ция, магния, натрия, калия, фосфора и многих других, включая тяжелые металлы. Отмирание живого вещества (естественная смерть или случайная гибель), особенно массовое, приводит к аномально высокому содержанию большинства этих элементов в почве и литосфере вплоть до образования горных пород однородного химического состава —торфа, углей, известняков, сапропелей, мела, железных руд осадочного происхождения и многих других.
Вследствие выполнения окислительно-восстанови тельных функций осуществляются химические превра щения веществ, содержащих атомы с переменной вален тностью (соединения железа, марганца и т.д.). Окисли тельная функция выражается в окислении с участием бактерий и, возможно, грибов всех бедных кислородом соединений в почве, коре выветривания и гидросфере. Например, так образуются болотные железные руды, бурые железистые конкреции, ожелезненные горизонты. Восстановительная функция противоположна по свой сути окислительной. Благодаря ей в результате деятельности анаэробных бактерий в нижней трети профиля заболо ченных почв, практически лишенного кислорода, обра зуются оксидные формы железа.
Таблица 4.1. Состав атмосферы и температурные условия на планетах Марс, Венера и Земля и гипотетической Земле без
жизни
Показатели |
Марс |
Венера |
|
Земля |
|
без жизни |
с жизнью |
||||
|
|
|
|||
Массовая доля |
|
|
|
|
|
в атмосфере, % |
|
|
|
|
|
у гл еки с- |
95 |
98 |
98 |
0,03 |
|
лый газ |
|||||
азот |
2,7 |
1,9 |
1,9 |
79 |
|
кислород |
0,13 |
следы |
следы |
21 |
|
Температура |
|
|
|
|
|
поверхности, |
-5 3 |
477 |
290 ± 50 |
13 |
|
°С |
|
|
|
|
Биохимические функции связаны с жизнедеятель ностью живых организмов — их питанием, дыханием, размножением, смертью и последующим разрушением тел. В результате происходит химическое превращение живого вещества сначала в биокосное, а затем, после умирания, в косное. Следует различать разрушение тел организмов после их смерти, идущее повсеместно и вызы ваемое микробами, грибами и некоторыми насекомыми, и разрушение, связанное с массовым захоронением расти тельных и животных остатков после их смерти или гибе ли. В последнем случае совместное или последователь ное выполнение живым веществом концентрационных и биохимических функций приводит к геохимическому преобразованию литосферы.
Биогеохимические функции, связанные с деятель ностью человека, обеспечили большие изменения хими ческих и биохимических процессов в биосфере, способ ствуют становлению ее нового эволюционного состояния — ноосферы. Уже сегодня местное (локальное) и планетар ное загрязнение в результате развития теплоэнергетики, промышленности, транспорта и сельского хозяйства мо жет привести к необратимым последствиям в биосфере, так как человек интенсивнее, чем другие организмы, изменяет физические условия среды.
Кроме указанных, к функциям живого вещества в биосфере следует отнести также водную, которая связана с биогенным круговоротом воды, имеющим важное зна чение в круговороте воды на планете.
Выполняя перечисленные функции, живое вещество адаптируется к окружающей среде и приспосабливает ее к своим биологическим потребностям. При этом живое вещество и среда его обитания развиваются как единое целое, однако контроль за состоянием среды осуществ ляют живые организмы. Такого рода биологический кон троль за состоянием биосферы на глобальном уровне стал основой гипотезы Геи, предложенной американскими физиком Дж.Лавлоком и микробиологом Л.Маргулисом. Согласно этой гипотезе, организмы, прежде всего мик роорганизмы, вместе со средой обитания образуют сложную систему регуляции —“коричневый пояс” , под держивающий на Земле условия, благоприятные для жизни.
4.10. БОЛЬШОЙ И МАЛЫЙ КРУГОВОРОТЫ ВЕЩЕСТВ В БИОСФЕРЕ
Все вещества на нашей планете находятся в процессе круговорота. Солнечная энергия вызывает на Земле два круговорота веществ, большой, или биосферный (охва тывающий всю биосферу), и малый, или биологический (внутри экосистем).
Биосферному круговороту веществ предшествовал геологический, связанный с образованием и разрушени ем горных пород и последующим перемещением продук тов разрушения —обломочного материала и химических элементов. Значительную роль в этих процессах играли
ипродолжают играть термические свойства поверхности суши и воды: поглощение и отражение солнечных лу чей, теплопроводность и теплоемкость. Вода больше по глощает солнечной энергии, а поверхность суши в одних
итех же широтах больше нагревается. Неустойчивый гидротермический режим поверхности Земли вместе с планетарной системой циркуляции атмосферы обуслов ливал геологический круговорот веществ, который на начальном этапе развития Земли, наряду с эндогенными процессами, был связан с формированием континентов,
океанов и современных геосфер. О геологическом прояв лении его говорит и перенесение воздушными массами продуктов выветривания, а водой —растворенных в ней минеральных соединений. Со становлением биосферы в большой круговорот включились продукты жизнедеятель ности организмов. Геологический круговорот, не прекра тив своего существования, приобрел новые черты: он стал начальным этапом биосферного перемещения вещества. Именно он поставляет живым организмам элементы пи тания и во многом определяет условия их существова ния.
Большой круговорот веществ в биосфере характеризу ется двумя важными моментами: 1) осуществляется на протяжении всего геологического развития Земли; 2) представляет собой современный планетарный процесс, принимающий ведущее участие в дальнейшем развитии биосферы (Радкевич, 1983). На современном этапе разви
тия человечества в результате большого круговорота на большие расстояния переносятся также загрязняющие вещества, такие как оксиды серы и азота, пыль, радиоак тивные примеси. Наибольшему загрязнению подверглись территории умеренных широт Северного полушария.
Перемещающееся в геологическом круговороте неор ганическое вещество является резервным фондом для биологической ветви биосферного круговорота. Этот резер вный фонд сосредоточен в атмосфере в виде газов и газо образных веществ, в воде — растворенных химических элементов и их соединений, в литосфере —минеральных и органоминеральных веществ почвенного покрова. К атмосфере и гидросфере приурочен в основном транзит ный цикл круговорота, к литосфере —осадочный.
Малый, или биологический, круговорот веществ развертывается на фоне большого, геологического, охва тывающего биосферу в целом. Он происходит внутри эко систем, но не замкнут, что связано с поступлением веществ и энергии в экосистему извне и с выходом части их в биосферный круговорот. По этой причине иногда говорят не о биологическом круговороте, а об обмене веществ и потоке энергии в экосистемах и отдельных организмах.
Растения, животные и почвенный покров на суше об разуют сложную мировую систему, которая формирует биомассу, связывает и перераспределяет солнечную энер гию, углерод атмосферы, влагу, кислород, водород, азот, фосфор, серу, кальций и другие элементы, участвующие в жизнедеятельности организмов. Растения, животные и микроорганизмы водной среды образуют другую плане тарную систему, выполняющую ту же функцию связы вания солнечной энергии и биологического круговорота веществ (Ковда, 1976).
Суть биологического круговорота заключается в про текании двух противоположных, но взаимосвязанных процессов — созидания органического вещества и его разрушения. Начальный этап возникновения органичес кого вещества обусловлен фотосинтезом зеленых расте ний, т.е. образованием этого вещества из углекислого газа, воды и простых минеральных соединений с использова нием лучистой энергии Солнца. Растения извлекают из почвы в растворенном виде серу, фосфор, кальций, ка
лий, магний, марганец, кремний, алюминий, медь, цинк и другие элементы. Растительноядные животные погло щают уже соединения этих элементов в виде пищи расти тельного происхождения. Хищники питаются раститель ноядными животными, потребляют пищу более сложно го состава, включая белки, жиры, аминокислоты и др. В процессе разрушения микроорганизмами органического вещества отмерших растений и остатков животных в по чву и водную среду поступают простые минеральные со единения, доступные для усвоения растениями, и начи нается следующий виток биологического круговорота.
В отличие от большого круговорота малый имеет разную продолжительность: различают сезонные, годо вые, многолетние и вековые малые круговороты. При изучении биологического круговорота веществ основное внимание уделяется годовому ритму, определяемому годичной динамикой развития растительного покрова.
Обмен веществом и энергией, осуществляющийся меж ду различными структурными частями биосферы и опре деляющийся жизнедеятельностью микроорганизмов, на зывается биогеохимическим циклом. Именно с введени ем В.И.Вернадским понятия “биогеохимический цикл” перестало существовать представление о круговороте веществ как о замкнутой системе. Все биогеохимические циклы составляют современную динамическую основу существования жизни, взаимосвязаны друг с другом и каждый из них играет свойственную ему роль в эволю ции биосферы.
Отдельные циклические процессы, слагающие общий круговорот веществ в биосфере, не являются полностью обратимыми. Одна часть веществ в повторяющихся про цессах превращения и миграции рассеивается или свя зывается в новых системах, другая возвращается в кру говорот, но уже с новыми качественными и количествен ными признаками. Часть веществ может также извле каться из круговорота, перемещаясь вследствие физико геологических процессов в нижние горизонты литосферы или рассеиваясь в космическом пространстве.
Продолжительность циклов круговорота тех или иных веществ чрезвычайно различна. Время, достаточное для полного оборота углекислого газа атмосферы через фото синтез, составляет около 300 лет, кислорода атмосферы
тоже через фотосинтез — 2000—2500, азота атмосферы через биологическую фиксацию, окисление электричес кими разрядами и фотохимическим путем — примерно 100 млн лет, воды через испарение —около 1 млн лет.
В большом и малом круговоротах участвует множе ство химических элементов и их соединений, но важней шими из них являются те, которые определяют совре менный этап развития биосферы, связанный с хозяйствен ной деятельностью человека. К ним относятся кругово роты углерода, серы и азота (их оксиды — главнейшие загрязнители атмосферы), а также фосфора (фосфаты — главный загрязнитель вод суши). Большое значение име ют круговороты токсичных элементов — ртути (загряз нитель пищевых продуктов) и свинца (компонент бен зина). Кроме того, из большого круговорота в биологи ческий поступают многие вещества антропогенного про исхождения (ДДТ, пестициды, радионуклиды и др.), ко торые причиняют вред биотещ здоровью человека.
Круговорот углерода. Это один из важнейших круго воротов веществ в биосфере. Изменения глобального масштаба в круговороте углерода, связанные с челове ческой деятельностью, приводят к неблагоприятным для биосферы последствиям. По оценкам Международного научного комитета по проблемам окружающей среды (1974), ни одно из тех изменений, которые произошлина Земле в результате антропогенной деятельности, не имеет более существенного значения для интересов чело вечества, чем изменения всемирного масштаба, вызван ные процессом циркуляции углерода. С углеродом не посредственно связаны содержание кислорода в атмос фере и его круговорот в биосфере.
Углерод участвует в большом и малом круговоротах вещества. Его соединения в биосфере постоянно возни кают, испытывают превращения и разлагаются. Основ ной путь миграции углерода —от углекислого газа атмос феры в живое вещество и из живого вещества в углекис лый газ атмосферы. При этом часть его выходит из кру говорота, оставаясь в почве или откладываясь в осадочных породах.
В биологическом круговороте углерода (рис.4.16) выделяются три стадии: 1) зеленые растения, поглощая углекислый газ из воздуха, создают органическое веще-
Почвенное
дыхание
Рис. 4.16. Биологический круговорот углерода (массе углерода соответствует размер изображаемых путей)
ство; 2) животные, питаясь растениями, из содержащихся в них соединений углерода продуцируют другие соедине ния; 3) микроорганизмы разрушают вещество мертвых растений и животных и освобождают углерод, который снова попадает в атмосферу в составе углекислого газа. Источником углерода является также углекислый газ, поступающий в атмосферу при дыхании растений в тем ное время суток. Часть углерода накапливается в виде мертвых органических веществ там, где отсутствуют ус ловия для их разложения, и переходит в ископаемое со стояние (торф, каменный уголь, нефть и др.). Учитывая довольно интенсивное захоронение отмерших остатков растений и животных в болотах, лагунах, морских бассейнах и пресноводных водоемах, следует признать, что изъятие углерода из биологического круговорота этим путем в течение всей биологической эволюции биосферы шло довольно интенсивными темпами. В предшествую щие геологические эпохи, когда атмосфера Земли была несравненно больше насыщена углекислым газом, усло вия для фотосинтеза были более благоприятны и огром ное количество углерода в органических остатках оказа лось захороненным в недрах, образовав залежи полезных ископаемых. Общая масса углерода в них оценивается более чем в 10 000 трлн т.
Содержание углерода в нефти составляет 82,5—87,0 %, в бурых углях —до 76 %, в каменном угле —до 90 % и более, в тканях живых организмов в перерасчете на су хое вещество: у водных растений и животных —34,5—40 %, у наземных растений и животных - 45,4—46,5 %, у бакте рий - 54 %.
О масштабности современного биологического круго ворота углерода можно судить по тому обстоятельству, что растительные организмы, включая водоросли, еже годно продуцируют около 1,5 трлн т углерода органичес кой массы. По расчетам М.И.Будыко, весь запас угле кислого газа в атмосфере, если бы он не возобновлялся, был бы исчерпан растениями за восемь лет. Условия жизни на Земле определяются этими масштабами фото синтеза.
В биологическом круговороте в экосистемах суши уча ствует небольшая доля всей массы углерода, а значи тельная часть законсервирована в “былых биосферах” , входит в состав полезных ископаемых.
На суше особенно мощным естественным источником поступления углекислого газа в атмосферу являются вул каны.
Весьма существенное звено в большом круговороте углерода — водные массы гидросферы. Углекислый газ представлен в ней в виде как разбавленных растворов угольной кислоты, так и, главным образом, гидрокарбо натов металлов. Повышение концентрации и парциаль ного давления С02 в атмосфере, региональное или сезон ное охлаждение вод сопровождаются немедленным уве личением концентрации углекислого газа в воде и раство ров гидрокарбоната кальция. Многие водные организмы, поглощая углекислый кальций, создают свои скелеты, из которых затем образуются донные известковые отло жения вплоть до пластов известняков. Выпадая в оса док, карбонат кальция связывает часть углекислого газа в осадочных горных породах на дне Мирового океана и пресноводных водоемов, а часть углекислого газа при этом вновь возвращается в атмосферу:
Са(НС03)2 —>CaC03i + Н2С03 . Н20 С02
Между углекислым газом атмосферы и водой океана существует подвижное'равновесие. Уменьшение концен трации диоксида углерода в атмосфере неизбежно вызы вает дегазацию вод океана и поступление углекислого газа в атмосферу. Фотосинтез в гидросфере также явля ется постоянно действующим механизмом поглощения углекислого газа из атмосферы и газов, растворенных в водной среде, с соответствующим освобождением кисло рода.
Таким образом, океан и атмосфера представляют со бой единую систему, регулирующую распределение диок сида углерода между ними. Многие экологи считают, что в современную эпоху океан продолжает эффективно выполнять функцию захвата и связывания избыточного углекислого газа путем перевода его в известковые осад ки, а также образования биомассы живого вещества и мертвой органики в толщах морской воды (Ковда, 1976).
Круговорот углерода контролирует содержание кис лорода в атмосфере, при этом общая масса кислорода оценивается в 1,2 *106 млрд т (Будыко и др., 1985). Об щепланетарный расход кислорода на сжигание органи ческого топлива составляет около 15 млрд т в год. Еже годное поступление в атмосферу кислорода, освобожден ного при фотосинтезе, оценивается от 140 до 200 млрд т. Он почти полностью используется при дыхании организ мов и минерализации отмершей органической массы, а также частично консервируется в литосфере. Только не значительная часть его (0,04 %) пополняет содержание кислорода в атмосфере.
Расход кислорода на сжигание топлива в 100—200 раз повышает его поступление в атмосферу в результате фо тосинтеза. На сжигание топлива используется кислород, уже накопленный атмосферой *и ежегодное уменьшение происходит примерно на одну десятитысячную часть его массы в атмосфере. Полное сжигание углеродного топ лива уменьшит содержание кислорода в атмосфере толь ко на долю процента. Значительные изменения массы кислорода могут быть только за очень длительные про межутки времени, измеряемые миллионами лет (Буды ко и др., 1985). По этой причине наибольшую вероятную опасность для биосферы представляет нарушение круго ворота углерода.
В антропогене масштабы фотосинтетической деятель ности на Земле, по-видимому, стабилизировались. Зеле ный покров суши и карбонатная система гидросферы в течение длительного времени поддерживали постоянный уровень содержания углекислого газа в атмосфере. В со временную эпоху картина изменилась: поток углерода в атмосферу увеличился за счет антропогенного происхож дения настолько, что растительность Земли, вероятно, не способна полностью усваивать его. Следствием этого является снижение самоочищения атмосферы от оксида углерода (СО, угарный газ).
Самоочищение воздуха от оксида углерода происхо дит в результате миграции СО в верхние слои атмосферы, где в присутствии диоксида азота и озона он окисляется до С02, а также путем поглощения растениями и микро организмами, водной и земной поверхностью. Если бы прекратилось постоянное техногенное поступление оксида углерода в воздушный бассейн, атмосфера Земли могла бы очиститься от него в течение одного месяца или, по крайней мере, нескольких лет.
По данным Министерства природных ресурсов и ох раны окружающей среды Республики Беларусь, стацио нарные источники и транспорт на ее территории выбрасы вают в воздух около 1,1 млн т оксида углерода, что экви валентно 1,7 млн т углекислого газа.
Естественный и культурный растительный покров Беларуси поглощает не менее 163 млн т С02 (табл.4.2; рассчитано по среднему содержанию углерода в накоп ленной за год растительной массе). Диоксид углерода антропогенного происхождения на территории республики составляет около 1 % от массы этого газа, участвующего
вфотосинтезе.
Впроцессе фотосинтеза на каждую поглощенную мо лекулу углерода (С) приходится одна освобождаемая мо лекула кислорода (02). Используя соотношение их моле кулярных масс (12:32), можно рассчитать продуцирова ние кислорода на конкретных географических террито риях. В частности, растительный покров Беларуси по ставляет в атмосферу не менее 120 млн т кислорода (табл.4.2).
Круговорот азота. Азот, как и углерод и большин ство других химических элементов, участвует в боль-