Экология_Федорук

1972)

Вода участвует также в биологических циклах. В процессе фотосинтеза вода (водород воды) используется на производ­ ство органических соединений. Она образуется при дыхании, в процессе окислительного метаболизма. Вода гидросферы за всю историю жизни прошла через биогенный цикл, связанный с фотосинтезом, не менее 300 раз.

Вся гидросфера в процессе круговорота воды оказывается во­ едино связанной с живым веществом, литосферой и атмосферой.

В биологическом круговороте веществ выделяют несколько циклов химических элементов. Циклом называют относитель­ но замкнутые пути циркуляции биогенных веществ из внешней среды в организмы и опять во внешнюю среду. Скорости их протекания различны. В экосистемах они могут сливаться в единый биологический круговорот.

Цикл кислорода весьма сложен, так как кроме основной своей формы (О2) кислород содержится в воде и во множестве неорга­ нических и органических веществ. В среднем каждый четвертый атом живого вещества является атомом кислорода. Некоторые пути круговорота кислорода отражает схема (рис. 145).

Свободный кислород в атмосфере начал накапливаться примерно около 1,8 млрд лет назад. На Земле, лишенной фото­

430

синтеза, он образовывался в атмосфере в процессе фотодиссо­ циации молекул воды под действием ультрафиолета. Его содер­ жание не превышало 0,001% от современного в атмосфере (точ­ ка Юри). При таком содержании кислорода могла существо­ вать только анаэробная жизнь. Ж ивые организмы этого времени защищались от разрушительных ультрафиолетовых лучей толстым слоем воды. Микроскопические анаэробные ге­ теротрофы существовали за счет органического вещества, син­ тезированного в абиотических процессах.

Постепенно, менее 1 млрд лет назад (по некоторым данным значительно раньше), в результате жизнедеятельности фото­ синтезирующих бактерий в атмосфере количество кислорода продолжало увеличиваться. Его величина, 1% от современного содержания (основная «точка Пастера»), была достаточной для поддержания аэробных форм жизни (переход от брожения к окислительному метаболизму). Эту концентрацию принято считать критическим порогом биологической активности. Аэробное дыхание вело к возникновению сложных организ­ мов. Ж изнь получила возможность распространяться почти до поверхности водоемов. Первые аэробные организмы могли возникнуть в составе цианобактериальных сообществ, которые являлись «кислородными оазисами» в анаэробной среде.

Содержание кислорода в атмосфере до 10% от современно­ го (вторая «точка Пастера») послужило предпосылкой форми­ рования озонового экрана. Ж изнь становится возможной на мелководьях, а затем на суше. Предполагается, что завоевание суши шло сравнительно быстро, поскольку накопление кисло­ рода шло взрывообразно и заняло не более 20 тыс. лет.

В течение примерно 2 млрд лет прокариоты (цианобакте­ рии, бактерии) сформировали кислородную атмосферу. Водо­ росли, эукариотический фитопланктон значительно увеличили масштабы фотосинтеза. Затем последовало «позеленение су­ ши». Накопление кислорода обеспечивалось неполной замкну­ тостью цикла углерода вследствие неполного разложения орга­ нического вещества и выключения его из биологического круговорота (захоронение рассеянной органики в осадочных породах, образование угля, торфа и др.). Современное содер­ жание кислорода в атмосфере составляет около 21%, в воде - около 1%. Ежегодно в процессе фотосинтеза образуется 430— 470 млрд т кислорода. Он составляет больше половины массы живых организмов, является ведущим и наиболее распростра­

431

ненным элементом земной коры, составляя едва ли не полови­ ну ее массы (47,3%) и 92% —объема. В ходе геологического раз­ вития земной коры кислород прочно оказался связанным с другими элементами в главных породообразующих минералах.

В свободном состоянии этот элемент является основой жизни. Примерно за 2 млн лет весь объем воды на Земле (1,5 млрд км3) вовлекается в процесс фотосинтеза. В процессе его проходит цикл расщепления воды с выделением кислорода, сильного окислителя, и образованием органического вещества —сильно­ го восстановителя. Этот процесс имеет особое значение для биосферы. Свободный кислород определяет пути миграции и концентрации многих химических элементов. Он используется живыми организмами на дыхание. Окислительным метаболиз­ мом с его высоким выходом энергии (при окислении 1 моля глюкозы получается 686 ккал, а при сбраживании —50) обеспе­ чивается жизнь аэробных организмов, производится минера­ лизация органического вещества. Скорость круговорота кисло­ рода составляет 2000 лет. За это время весь кислород атмосфе­ ры проходит через живое вещество. За всю историю биосферы он обновлялся около 1 млн раз. Кислород, не использованный на дыхание, минерализацию, идет на окисление минеральных веществ. Углекислый газ, выделяемый при дыхании, уходит в атмосферу и вновь используется в процессе фотосинтеза при­ мерно за 300 лет. В процессе непрерывного круговорота живое вещество биосферы обменивается кислородом, углекислым га­ зом и водой с атмосферой, гидросферой и литосферой.

Природный круговорот кислорода нарушается в связи с большим объемом его использования (до 10 млрд т) в промыш­ ленности, работе транспорта и в быту.

Цикл углерода. Углерод вступает в реакцию со многими хи­ мическими элементами, образуя многочисленные простые и сложные органические вещества, которые входят в состав кле­ ток живых организмов. В живом веществе углерода содержится около 18-45% от сухой биомассы. Углерод на планете занимает одиннадцатое место, составляя 0,3% от веса земной коры.

Господствующими формами углерода являются углекислый газ и метан. Наиболее подвижен углекислый газ, содержание ко­ торого в атмосфере составляет 0,03%. Примерно 12% его участву­ ет в обмене с экосистемами через биологические процессы фотосинтеза и дыхания. Поглощение и выделение живым веще­ ством углекислого газа —наиболее важный факт в истории угле-

432

15 лет, а в лесах варьирует от 20—30 (тропические леса) до 100 (тайга) лет. Особенно активно возвращается углекислый газ в ат­ мосферу из почвы, в которой гумус является крупным резервуа­ ром углерода. Сложные процессы, протекающие в почве, полу­ чили название «почвенное дыхание». В почвах две трети первич­ ной продукции содержится в форме отмершей массы из листьев, хвои, травы и тонких корней, которые отмирают и разлагаются в течение нескольких лет. В подзолистых и торфяно-болотных почвах в северных широтах время круговорота углерода значи­ тельно увеличивается и может составлять 1000 и более лет.

Этот жизненный цикл глобального значения еще в первой трети XIX в. определил известный французский ученый Ж.-Б. Дюма: «Таким образом, все, что воздух дает растениям, растения уступают животным, животные же возвращают возду­ ху; вечный круг, в котором жизнь трепещет и выявляется, но где материя только меняет место».

Круговорот углерода в Мировом океане имеет свои особен­ ности, он в основном автономен. Фитопланктон усваивает угле­ кислый газ, растворенный в воде. Выделяемый кислород ухо­ дит в раствор и используется на дыхание. Фитопланктон поеда­ ется зоопланктоном, который служит пищей для других живот­ ных. Микроскопические организмы составляют в океане основную часть биомассы. Длительность их жизни измеряется всего неделями-месяцами, поэтому общая масса не может за­ метно увеличиваться. Минерализация мертвых организмов происходит очень быстро. В процессе ее образуется растворен­ ное органическое вещество.

Между атмосферой и океаном осуществляется постоянный обмен двуокисью углерода. За год в океане растворяется около 100 млрд т атмосферного углекислого газа. Поглощение угле­ кислого газа водой увеличивается при повышении его концен­ трации в воздухе. В океане уменьшение растворенного углекис­ лого газа достигается образованием и отложением биогенным и абиогенным путем карбонатов. Вынос карбонатов с суши в океан, наоборот, увеличивает его количество.

Ж ивое вещество быстро обращается в биосфере и не только концентрирует, но и принимает участие в рассеивании углеро­ да. Микроорганизмы, мельчайшая живая пыль, обладают спо­ собностью быстро размножаться и проникать даже в самые глубокие, казалось бы, недоступные для жизни недра Земли. Ж ивые организмы составляют несколько десятых процента

434

всего огромного запаса углерода. Подавляющая его масса захо­ ронена в неорганических отложениях (в основном в карбона­ тах) и органических горючих ископаемых. Благодаря устойчи­ вости соединений углерода в термодинамических условиях зем­ ной коры, возможно накопление углерода в недрах Земли, например в виде каменного угля, а на дне морей и океанов — в виде известняков.

Согласно современным данным, в невозмущенной среде син­ тез и деструкция органического веществ в биосфере протекали с

относительно большой точностью - порядка КГ4. Определение СО2 в керне льда Антарктиды показало, что его содержание в ат­ мосфере было в пределах погрешности в течение 8300 лет. К та­ кому выводу пришли и швейцарские ученые по анализу керна льдов Гренландии. Это было возможно при оптимальном соот­ ношении кислорода (21%) и углекислого газа (0,03%). Этот ба­ ланс регулируется самой биотой путем увеличения синтеза или за счет увеличения деструкции (гумуса, торфа).

В настоящее время цикл углерода нарушен антропическим фактором: уменьшением общей фотосинтезирующей поверх­ ности листьев, сжиганием горючих ископаемых, промышлен­ ными выбросами. Естественное равновесие сместилось в сторо­ ну деструкции. Биота суши не только не поглощает весь техни­ ческий углекислый газ, но она сама выбрасывает его в объеме, который примерно равен половине объема углекислоты, полу­ чаемой от сжигания топлива. Биота стала «агрессивной». За последние 200 лет содержание окиси углерода увеличилось в атмосфере на 25%, а за 100 лет - на 10—13%.

В регулировании состава атмосферы помогает океан. Биота океана поглощает примерно половину индустриального углекис­ лого газа. В отличие от биоты суши, слабо возмущенная челове­ ком биота океана подчиняется принципу Ле Шаталье. Однако медленный обмен между поверхностными и глубинными слоя­ ми океана затрудняет поглощение углекислоты, и возможности океана постепенно становятся все более ограниченными. Кроме того, поглощение СО2 уменьшается в связи с парниковым эф­ фектом и повышением температуры океанических вод.

Весьма сложен атмосферный цикл метана. Он обусловлен се­ зонными изменениями его эмиссии и фотохимическим окисле­ нием радикалом гидроокисла ОН в тропосфере. Самым больг шим источником СН4 в атмосфере являются переувлажненные территории (болота, рисовые поля, эстуарии, затопленные леса,

почвы), на которых при анаэробном разложении органического вещества образуется около 40% метана. При потеплении образо­ вание метана растет быстрее, чем его потребление. За прошед­ шее столетие содержание метана в атмосфере более чем удвои­ лось и продолжает расти со скоростью примерно 1% в год. Ме­ тан становится вторым по значимости (после СО2) парниковым

газом. Его доля в парниковом эффекте составляет 22%. Восстановить прежний углеродный цикл в биосфере может

только биота в том состоянии и видовом составе, которые она занимала до середины XIX в.

Цикл азота. Азот является также очень важным биофильным элементом. Это составная часть молекул ДНК, белков, АТФ, хлорофилла и др. Его соотношение с углеродом в расти­ тельных клетках составляет в среднем 1:30. Атмосферный азот находится в молекулярном состоянии, является инертным га­ зом, недоступен для усвоения растениями. Его содержание в атмосфере очень высокое —78,8% объема.

В биологический круговорот азот атмосферы вовлекается прокариотами: цианобактериями (особенно активно на рисо­ вых полях), клубеньковыми бактериями (ризобиями), а также свободно живущими в почве бактериями рода Azotobacter, ко­ торые фиксируют за год на 1 га 2-6 кг азота (рис. 147). Азотфиксация клубеньковыми бактериями протекает при обычной температуре и нормальном давлении. Образовавшийся ион ам­ мония (NH4+) особыми видами микроорганизмов в процессе нитрификации окисляется до нитрита (N 0^), а затем до нит­ рата (NOJ). В год на 1 га может связываться до 400 кг азота. Связанный азот высшие растения потребляют из почвенных и водных растворов в форме аммония и нитратов. Азот включа­ ется в аминокислоты и становится частью белка, а по пищевой цепи передается животным.

Отмершие растения и животные разлагаются микроорга­ низмами в почве. Азот из органических соединений (в основ­ ном аминокислот) в процессе аммонификации переходит в ион аммония и возвращается в почву. В результате азотным пи­ танием обеспечиваются новые поколения растений.

Небиологическая фиксация азота происходит при иониза­ ции атмосферы и грозовых разрядах. Образовавшиеся окислы и аммиак поступают в почву с дождем. Таким путем в почву вносится в год около 25 млн т фиксированного азота.

436

Экологи определяют биосферу как арену взаимодействия четырех элементов (водорода, углерода, азота и кислорода). Не­ маловажными компонентами живого вещества являются фос­ фор, сера, железо и многие другие. Биосфера функционирует как единая система. Ж ивое вещество, выполняя процессы син­ теза, трансформации и разложения органики, осуществляет и активизирует круговороты химических элементов.

18.4. Ноосфера

Биосфера является сферой жизни. В учении о биосфере Вер­ надского не было места человеку. Однако человечество на протя­ жении всей своей истории стремилось овладеть природой и де­ лало это весьма успешно. Человек внес в биосферу разум, труд, мысль, науку. Он повлиял и все больше влияет на течение геоло­ гических процессов планеты, становится сам геологическим фак­ тором. Результатом его деятельности явился невиданный размах и особая форма миграции атомов. По оценке Вернадского, де­ ятельность человека стала сравнимой с природными процесса­ ми. По данным современных экспертов, геохимическая деятель­ ность человека уже значительно превзошла интенсивность ос­ новных природных геохимических процессов и продолжает рас­ ти, что составляет серьезную угрозу биосфере.

Пристальное внимание к геологической, а потом геохими­ ческой роли деятельности человечества привело Вернадского сначала, как он говорил, «скрыто» к понятию о новой фазе эво­ люции биосферы, в которой человек становится главным дей­ ствующим лицом.

Термин «ноосфера» (от греч. noos - разум, sphaira - шар) предложил в 1927 г. французский математик, философ Э. Jleруа вместе со своим другом, католическим священником, гео­ логом и палеонтологом П. Тейяром де Шарденом не без влия­ ния Вернадского. Леруа слушал его лекции в Сорбонне. Под ноосферой он понимал закономерный этап в развитии органи­ ческого мира, когда доминирующая роль в биосфере принадле­ жит духовному творчеству человека и продуктам его труда.

Вернадский, приняв термин от французов, наполнил его со­ держанием, заложив основы концепции о ноосфере в статье «Не­ сколько слов о ноосфере» (1944). Вернадский писал: «Сейчас мы переживаем новое геологическое эволюционное изменение биосферы. Мы входим в ноосферу. Мы вступаем в нее —в но­

438