КРУГОВОРОТ ВЕЩЕСТВ И ПРЕВРАЩЕНИЕ ЭНЕРГИИ В БИОСФЕРЕ

  Главная функция биосферы заключается в обеспечении круговоротов химических элементов. Глобальный биотический круговорот осуществляется при участии всех организмов, населяющих планету. Он заключается в циркуляции веществ между почвой, атмосферой, гидросферой и живыми организмами.

  Благодаря биотическом круговороте возможно длительное существование и развитие жизни при ограниченном запасе доступных химических элементов. Используя неорганические вещества, зеленые растения за счет энергии Солнца создают органическое вещество, которое другими живыми существами (гетеротрофами-потребителями и деструкторами) разрушается, с тем чтобы продукты этого разрушения могли быть использованы растениями для новых органических синтезов.

  Важная роль в глобальном круговороте веществ принадлежит циркуляции воды между океаном, атмосферой и верхними слоями литосферы. Вода испаряется и воздушными течениями переносится на много километров. Выпадая на поверхность суши в виде осадков, она способствует разрушению горных пород, делая их доступными для растений и микроорганизмов, размывает верхний почвенный слой и проникает вместе с растворенными в ней химическими соединениями и взвешенными органическими частицами в океаны и моря.

 

Рис. 182. Круговорот воды в биосфере.

 

  Подсчитано, что с поверхности Земли за 1 мин. испаряется около 1 млрд. т. воды (на образование 1 г водяного пара затрачивается 2,248 кДж). Энергия, затрачиваемая на испарение воды, возвращается в атмосферу. Циркуляция воды между мировым океаном и сушей является важнейшим звеном в поддержании жизни на Земле и основным условием взаимодействия растений и животных с неживой природой. Благодаря этому процесса происходит постепенное разрушение литосферы, перенос ее компонентов в глубины морей и океанов.

  На создание органического вещества расходуется всего 0,1 - 0,2 % солнечной энергии, которая достигает поверхности планеты. Энергия биотического круговорота имела в сравнению с энергией, расходуемой в абиотических геохимических процессах. Благодаря ей осуществляется значительный объем работы по перемещению химических элементов. Около 40 химических элементов привлекаются живыми организмами в активный круговорот. Наибольшее значение имеет круговорот углерода, азота, кислорода, водорода, железа, фосфора, серы, калия, кальция, магния и кремния.

  Круговорот углерода начинается с фиксации атмосферного диоксида углерода в процессе фотосинтеза. Часть углеводов, образовавшихся при фотосинтезе, используется самими растениями для получения энергии, а часть потребляется животными. Углекислый газ выделяется в процессе дыхания растений и животных. Мертвые растения и животные разлагаются, углерод их тканей окисляется и возвращается в атмосферу. Аналогичный процесс происходит и в океане.

 

Рис. 183. Круговорот углерода в биосфере.

 

  Круговорот азота также охватывает все области биосферы (рис. 184). Хотя его запасы в атмосфере практически неисчерпаемы, высшие растения могут использовать азот только после соединения его с водородом или кислородом. Исключительно важную роль в этом процессе играют азотфіксуючі бактерии. При распаде белков этих микроорганизмов азот возвращается в атмосферу.

  Показателем масштабов биотического круговорота служат темпы оборота углекислого газа, кислорода и воды, что весь кислород атмосферы проходит через организмы примерно за 2 тыс. лет, углекислый газ - за 300 лет, а вода полностью разлагается и восстанавливается в биотическом кругообізі за 2000 лет.

 

Рис. 184. Круговорот азота в биосфере.

 

   Круговорот серы. Сера входит в состав белков и также является жизненно важным элементом. В виде соединений с металлами - сульфидов - она залегает в виде руд на суше и входит в состав глубоководных отложений. В доступную для усвоения растворимую форму эти соединения перевариваются хемосинтезуючими бактериями, способными получать энергию путем окисления восстановленных соединений серы. В результате создаются сульфаты, которые используются растениями. Сульфаты, что глубоко залегают, привлекаются к кругооборота другой группой микроорганизмов, восстанавливающих сульфаты до сероводорода.

  Круговорот фосфора. Резервуаром фосфора положи его соединений в горных породах. Вследствие вымывания он попадает в речные системы и частично используется растениями, а частично уносится в море, где оседает в глубоководных отложениях. Кроме того, в мире ежегодно добывается от 1 до 2 млн. т. фосфорсодержащих пород. Большая часть этого фосфора также, вымывается и включается в кругооборот. Благодаря ловли рыбы часть фосфора возвращается на сушу в небольших размерах (около 60 тыс. т. элементарного фосфора в год).

 

Рис. 185. Темпы циркуляции веществ в биосфере.

 

   Одновременно с круговоротом веществ в биосфере идет и преобразования энергии. Биосфера в целом является открытой системой, постоянно принимает солнечную энергию. В процессе фотосинтеза солнечная энергия превращается в химическую. В живом веществе Земли связано 4,19 х 10¹⁸ Дж. энергии; при этом ежегодно производится и расходуется 4,19 х 10¹⁷ Дж. Энергия используется растениями на процессы жизнедеятельности, а часть ее переходит к растительноядных организмов. Последние тратят энергию на процессы жизнедеятельности, а частично она поступает в плотоядных животных. Таким образом, энергия запасается в тканях растений и животных в виде органических соединений, которые потребляются другими животными и человеком. Часть энергии консервируется в нефти, сланцах, торфе.

  Вместе с накоплением энергии в живых организмах происходит почти равное ему по масштабам выделение энергии при разрушении органических веществ в процессе дыхания, брожения и гниения. Так в биосфере поддерживается баланс энергии. Во время этих превращений происходят затраты энергии на процессы жизнедеятельности организмов. Потери энергии постоянно заполняются за счет световой энергии Солнца.

  Следовательно, биосфера является сложной экологической системой, которая работает в стационарном режиме. Стабильность биосферы обусловлена тем, что результаты активности трех групп организмов, выполняющих разные функции в биотическом кругооборота - продуценты (автотрофи), потребители (гетеротрофы) и деструкторы (минералізуючі органические остатки), - взаємозрівноважуються. Гомеостатическое состояние биосферы не исключает способности ее к эволюции.