О.А. Барабанова, И.Н. Безкоровайная, Е.Б. Бухарова [и др.]
Экология: курс лекций
Красноярск: Сибирский федеральный университет, 2010. – 325 с.
Глава 1. Структура и функции биосферы
Лекция 6. Круговороты веществ в экосистемах
Жизнь, возникнув на Земле, на протяжении миллиардов лет находится
в постоянном развитии. Это происходит благодаря тому, что элементы живого
вещества, поступающие из окружающей среды, пройдя через ряд организмов, снова
возвращаются во внешнюю среду, а затем опять включаются в состав живого
вещества (рис. 8). Таким образом, каждый элемент используется живой материей
многократно.
Именно круговоротом веществ обусловлено неограниченное временем
существование, постоянное развитие и совершенствование жизни на Земле.
Рис. 8. Схема
биологического круговорота
Все
процессы на Земле на исходном этапе обеспечиваются энергией Солнца. Наша
планета получает от Солнца 4–5·1013 ккал/с. Только 0,1–0,2 % солнечной энергии поглощается растениями, однако эта
энергия совершает огромную работу: она «запускает» процессы биосинтеза и
трансформируется в энергию химических связей синтезируемых органических
веществ. Биогенные элементы в отличие от энергии удерживаются в экосистеме, где
они совершают непрерывный круговорот, в котором участвуют как живые организмы,
так и физическая среда.
Поскольку растения и
животные могут использовать только те биогенные элементы, которые находятся на
поверхности Земли или вблизи нее, для сохранения жизни необходимо, чтобы
вещества, ассимилированные живыми организмами, в конечном счете становились
доступными другим организмам.
Каждый химический
элемент, совершая круговорот в экосистеме, следует по своему особому пути, но все
круговороты приводятся в движение энергией, и участвующие в них элементы
попеременно переходят из органической формы в неорганическую и наоборот.
Энергия Солнца
вызывает движение двух круговоротов – большого геологического и малого
биологического. Большой, или геологический, круговорот – круговорот
веществ в системе: геохимический поток суши – гидрографическая сеть – океан –
воздушные массы – аэрозоли – геохимический поток суши. Наиболее ярко
проявляется в круговороте воды и циркуляции атмосферы. Малый, биологический
(биотический), – поступление химических элементов из почвы и атмосферы в живые
организмы; превращение в них поступающих элементов в новые сложные соединения и
возвращение их в почву и атмосферу в процессе жизнедеятельности с ежегодным
опадом части органического вещества или с полностью отмершими организмами,
входящими в состав экосистемы.
Оба круговорота
взаимно связаны и представляют собой единый процесс движения вещества на нашей
планете.
Как было отмечено в
лекциях 1–5, для любой экосистемы (основной структурной единицы биосферы)
характерен постоянный обмен веществом, энергией и информацией между отдельными
ее компонентами. Обмен биогенными элементами между живыми организмами и
неживыми компонентами в большинстве сообществ сбалансирован. Экосистему можно
представить в виде ряда блоков, через которые проходят различные вещества и в
которых эти вещества могут оставаться на протяжении длительного времени. В
круговоротах минеральных веществ в экосистеме в большинстве случаев участвуют
три активных блока: живые организмы, мертвый органический детрит и доступные
неорганические вещества. Два добавочных блока – косвенно доступные
неорганические вещества и осаждающиеся органические вещества – связаны с
круговоротами биогенных элементов в каких-то периферических участках, однако
обмен между этими блоками и остальной экосистемой замедлен по сравнению с
обменом, происходящим между активными блоками.
Живые организмы и
биосфера в целом состоят из тех же химических элементов, которые встречаются в
окружающей среде. Для синтеза биомассы необходимо около 40 элементов, из
которых самыми важными являются углерод, азот, кислород, водород, фосфор и
сера. Их называют биогенными элементами. Основную биомассу дают углерод,
кислород, водород. Они составляют 99,9 % веса живых организмов, образуют 99 %
веса всей земной коры нашей планеты и тем самым обеспечивают устойчивость жизни
на Земле. Все остальные химические элементы находятся в рассеянном состоянии.
Большую часть веса живых организмов дают О2 и С. Они составляют от
50 до 90 % их сухого абсолютного веса.
Биогенные элементы,
попеременно переходя из живой материи в неорганическую, участвуют в различных
биогеохимических циклах.
Биогеохимические
циклы – круговорот химических
элементов: из неорганической природы через растительные и животные организмы обратно
в неорганическую. Совершается с использованием солнечной энергии и энергии
химических реакций.
Согласно
закону биогенной миграции атомов В. И. Вернадского «миграция химических
элементов на земной поверхности и в биосфере в целом осуществляется или при
непосредственном участии живого вещества (биогенная миграция), или же она
протекает в среде, геохимические особенности которой обусловлены живым
веществом, как тем, которое в настоящее время населяет биосферу, так и тем,
которое действовало на Земле в течение всей геологической истории».
Биогеохимические циклы можно разделить на две группы:
-
круговорот газов,
в которых атмосфера служит главным резервуаром элемента (углерод, азот,
кислород, вода);
-
круговороты
осадочные, элементы которых в твердом состоянии входят в состав осадочных пород
(фосфор, сера и др.).
Обмен биогенными элементами между живыми организмами и неорганической
средой в большинстве сообществ сбалансирован.
В результате количество биомассы живого вещества биосферы Земли
приобретает тенденцию к определенному постоянству. Биомасса биосферы (2·1012
г) на семь порядков меньше массы земной коры (2·1019 т). Растения
Земли ежегодно продуцируют органическое вещество, равное 1,6·1011 т,
или 8 % биомассы биосферы. Деструкторы, составляющие менее 1 % от суммарной
биомассы организмов планеты, перерабатывают массу органического вещества, в 10
раз превосходящую их собственную биомассу. В среднем период обновления биомассы
равен 12,5 года.
Существование биогенных круговоротов создает возможность для
саморегуляции (гомеостаза) системы, что придает экосистеме устойчивость -
постоянство процентного содержания различных элементов. Таким образом,
действует основной принцип функционирования экосистем: получение ресурсов и
избавление от отходов происходит в рамках круговорота всех элементов.
Рассмотрим более подробно циклы основных биогенных элементов.
Начнем с круговорота воды, поскольку в экосистемах он оказывает решающее
значение на передвижение кислорода и водорода. Организмы быстро теряют воду
путем испарения и выделения, за время жизни особи вода, содержащаяся в
организме, может обновляться сотни и тысячи раз.
Параграфы
лекции:
6.1. Круговорот воды
6.2. Круговорот кислорода
6.3. Круговорот углерода
|