§ 4. Биогеохимические циклы

ноиболее жизненно важных

биогенных веществ

Наиболее жизненно важными можно считать вещества, из

которых, в основном, состоят белковые молекулы. К ним

относятся углерод, азот, кислород, фосфор, сера.

Биогеохимические циклы углерода, азота и кислород3

(рис. 6.9) наиболее совершенны. Благодаря большим атмосфер-

172

Рис. 6.9. Схема биогеохимического круговорота веществ на суше

(по Р. Кашанову, 1984)

ным резервам они способны к быстрой саморегуляции. В

круговороте углерода, а точнее — наиболее подвижной его фор-

Мь* — С02, четко прослеживается трофическая цепь: продуцен-

ты, улавливающие углерод из атмосферы при фотосинтезе,

к°нсументы — поглощающие углерод вместе с телами

продуктов и консументов низших порядков,редуцентов —

возвращающих углерод вновь в круговорот. Скорость оборота СО, со-

173

Рис. 6.10. Темпы циркуляции веществ

(Клауд и Джибор, 1972)

ставляет порядка 300 лет (полная его замена в атмосфере)

(рис. 6Л0).

В Мировом океане трофическая цепь: продуценты

(фитопланктон) — консументы (зоопланктон, рыбы) — редуценты

(микроорганизмы) — осложняется тем, что некоторая часть

углерода мертвого организма, опускаясь на дно, «уходит» в

осадочные породы и участвует уже не в биологическом, а в

геологическом круговороте вещества.

Главным резервуаром биологически связанного углерода

являются леса, они содержат до 500 млрд т этого элемента, что

составляет 2/3 его запаса в атмосфере. Вмешательство

человека в круговорот углерода приводит к возрастанию содержания

С02 в атмосфере.

Скорость круговорота кислорода — 2 тыс. лет (рис. 6.10),

именно за это время весь кислород атмосферы проходит через

174

живое вещество. Основной поставщик кислорода на Земле —

зеленые растения. Ежегодно они производят на суше 53-109 т

кислорода, а в океанах — 414-109 т.

Главный потребитель кислорода — животные, почвенные

организмы и растения, использующие его в процессе дыхания.

Процесс круговорота кислорода в биосфере весьма сложен, так

как он содержится в очень многих химических соединениях.

Подсчитано, что на промышленные и бытовые нужды

ежегодно расходуется 23% кислорода, который высвобождается в

процессе фотосинтеза.

Предполагается, что в ближайшее время весь

продуцированный кислород будет сгорать в топках, а следовательно,

необходимо значительное усиление фотосинтеза и другие

радикальные меры.

Биогеохимический круговорот азота не менее сложен, чем

углерода и кислорода, и охватывает все области биосферы.

Поглощение его растениями ограничено, так как они усваивают

азот только в форме соединения его с водородом и

кислородом. И это при том, что запасы азота в атмосфере

неисчерпаемы (78% от ее объема). Редуценты (деструкторы), а конкретно

почвенные бактерии, постепенно разлагают белковые

вещества отмерших организмов и превращают их в аммонийные

соединения, нитраты и нитриты. Часть нитратов попадает в

процессе круговорота в подземные воды и загрязняет их.

Опасность заключается также и в том, что азот в виде

нитратов и нитритов усваивается растениями и может

передаваться по пищевым (трофическим) цепям.

Азот возращается в атмосферу вновь с выделенными при

гниении газами. Роль бактерий в цикле азота такова, что если

будет уничтожено только 12 их видов, участвующих в

круговороте азота, жизнь на Земле прекратится. Так считают

американские ученые.

Биогеохимический круговорот в биосфере, помимо

кислорода, углерода и азота, совершают и многие другие элементы,

Ходящие в состав органических веществ, — сера, фосфор,

железо и др.

Биогеохимические циклы фосфора и серы, важней-

ших биогенных элементов, значительно менее совершенны,

175

так как основная их масса содержится в резервном фонде

земной коры, в «недоступном» фонде.

Круговорот серы и фосфора — типичный осадочный

биогеохимический цикл. Такие циклы легко нарушаются от

различного рода воздействий и часть обмениваемого материала

выходит из круговорота. Возвратиться опять в круговорот

она может лишь в результате геологических процессов или

путем извлечения живым веществом биофильных

компонентов.

Фосфор содержится в горных породах, образовавшихся в

прошлые геологические эпохи. В биогеохимический

круговорот (рис. 6.11) он может попасть в случае подъема этих пород

из глубины земной коры на поверхность суши, в зону

выветривания. Эрозионными процессами он выносится в море в виде

широко известного минерала — апатита.

Общий круговорот фосфора можно разделить на две

части — водную и наземную. В водных экосистемах он

усваивается фитопланктоном и передается по трофической цепи

вплоть до консументов третьего порядка — морских птиц. Их

экскременты (гуано) снова попадают в море и вступают в

круговорот, либо накапливаются на берегу и смываются в море.

Из отмирающих морских животных, особенно рыб,

фосфор снова попадает в море и в круговорот, но часть скелетов

рыб достигает больших глубин и заключенный в них фосфор

снова попадает в осадочные породы.

В наземных экосистемах фосфор извлекают растения из

почв и далее он распространяется по трофической сети.

Возвращается в почву после отмирания животных и растений и с

их экскрементами. Теряется фосфор из почв в результате их

водной эрозии. Повышенное содержание фосфора на водных

путях его переноса вызывает бурное увеличение биомассы

водных растений, «цветение» водоемов и их эвтрофикацию.

Большая же часть фосфора уносится в море и там теряется

безвозвратно.

Последнее обстоятельство может привести к истощению

запасов фосфорсодержащих руд (фосфоритов, апатитов и др.)-

Следовательно, надо стремиться избежать этих потерь и не

176

Рис. 6.11. Круговорот фосфора в биосфере (по П. Дювиньо,

М. Тангу, 1973; с изменениями)

177

Рис. 6.12. Круговорот серы (по Ю.Одуму, 1975). «Кольцо» в центре

схемы иллюстрирует процесс окисления (О) и восстановление (R),

благодаря которым происходит обмен серы между фондом

доступного сульфата (S04) и фондом сульфидов железа, находящихся

глубоко в почве и в осадках

ожидать того времени, когда Земля вернет на сушу

«потерянные отложения».

Сера также имеет основной резервный фонд в

отложениях и почве, но в отличие от фосфора у нее есть резервный

фонд и в атмосфере (рис. 6.12). В обменном фонде главная

роль принадлежит микроорганизмам. Одни из них

восстановители, другие — окислители. .

В горных породах сера встречается в виде сульфидов (FeS2

и др.), в растворах — в форме иона (S042~), в газообразной фазе

в виде сероводорода (H2S) или сернистого газа (S02). В

некоторых организмах сера накапливается в чистом виде (S2) и при их

отмирании на дне морей образуются залежи самородной серы.

В морской среде сульфат-ион занимает второе место по

содержанию после хлора и является основной доступной формой

серы, которая восстанавливается автотрофами и включается в

состав аминокислот.

Круговорот серы, хотя ее требуется организмам в

небольших количествах, является ключевым в общем процессе про-

178

дуцирования и разложения (Ю. Одум, 1986). Например, при

образовании сульфидов железа фосфор переходит в

растворимую форму, доступную для организмов.

В наземных экосистемах сера возвращается в почву при

отмирании растений, захватывается микроорганизмами, которые

восстанавливают ее до H2S. Другие организмы и воздействие

самого кислорода приводят к окислению этих продуктов.

Образовавшиеся сульфаты растворяются и поглощаются

растениями из поровых растворов почвы — так продолжается

круговорот.

Однако круговорот серы, так же как и азота, может быть

нарушен вмешательством человека (рис. 6.12). Виной тому

прежде всего сжигание ископаемого топлива, а особенно угля.

Сернистый газ (S02t) нарушает процессы фотосинтеза и приводит

к гибели растительности.

Биогеохимические циклы легко нарушаются человеком.

Так, добывая минеральные удобрения, он загрязняет воду и

воздушную среду. В воду попадает фосфор, вызывая эвтрофи-

кацию, образуются азотистые высокотоксичные соединения и

др. Иными словами, круговорот становится не циклическим, а

ациклическим. Охрана природных ресурсов должна быть, в

частности, направлена на то, чтобы ациклические

биогеохимические процессы превратить в циклические.

Таким образом, всеобщий гомеостаз биосферы зависит от

стабильности биогеохимического круговорота веществ в

природе. Но являясь планетарной экосистемой, она состоит из

экосистем всех уровней, поэтому первоочередное значение для ее

гомеостаза имеют целостность и устойчивость природных

экосистем.

ПРИРОДНЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ ЗЕМЛИ

КАК ХОРОЛОГИЧЕСКИЕ ЕДИНИЦЫ

БИОСФЕРЫ