Биогеохимический круговорот.
Биогеохимический круговорот – перемещение и превращение химических элементов через косную и органическую природу при активном участии живого вещества. Биогеохимический круговорот является важным показателем интенсивности биологического круговорота, отражая скорость обращения химических элементов.
Различают два типа биогеохимических циклов:
1. круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере и гидросфере.
2. осадочный цикл с резервным фондом в литосфере.
Круговорот кислорода.
Кислород является наиболее распространенным элементом на Земле (58 %). В атмосферном воздухе содержится около 21 весовой % кислорода, в литосфере – 47 %, а в гидросфере – 32%. Кислород и его соединения незаменимы для поддержания жизни. Вследствие количественного преобладания и большой окислительной активности кислород предопределяет форму существования химических элементов на Земле. Известно свыше 1400 минералов, содержащих кислород. Энергетические процессы в живом организме основываются на окислительно-восстановительных реакциях. При этом лишь некоторые группы микроорганизмов осуществляют эти процессы без участия кислорода путем гликолиза и брожения. Абсолютное большинство живых организмов получают энергию благодаря аэробному окислению органических веществ. Этот путь энергетически более выгоден. Он связан с закономерными процессами газообмена: постоянным притоком О2 и выносом СО2, образующегося в результате окисления органических субстратов. При такой системе энергетического обеспечения жизнедеятельности организмов кислород приобретает роль важнейшего экологического фактора.
Круговорот углерода.
Углерод по распространенности на Земле занимает шестнадцатое место среди всех элементов и составляет приблизительно 0,027% массы земной коры. В несвязанном состоянии он встречается в виде алмазов и графита. Каменный уголь содержит до 90% углерода. В связанном состоянии углерод входит также в разные горючие ископаемые, в карбонатные минералы (доломит, кальцит), а также в состав всех биологических веществ.
Углерод имеет исключительное значение для живого вещества. Тип жизни на Земле обычно называют углеродным, потому, что именно этот элемент составляет ее основу. Углерод в таблице Менделеева стоит под шестым номером и на внешней орбите имеет четыре электрона. Вступая в реакции с другими атомами, углерод заполняет полностью свой внешний электронный слой, образуя прочные ковалентные связи. Значение углерода, как основы жизни определяется тем, что его атомы, как атомы никакого другого элемента способны образовывать прочные связи друг с другом, образуя цепочки и кольца, которые являются скелетом органических молекул. Сочетание цепочек и колец с различным количеством звеньев, содержащих насыщенные и ненасыщенные связи, на которых как на скелете крепятся другие атомы и химические группы, имеющие различные химические свойства дает огромное разнообразие биологических молекул. Эти молекулы являются веществом, из которого строятся живые организмы. Из углерода в биосфере создаются миллионы органических соединений.
Во времена зарождения жизни на Земле и океан, и атмосфера, и климат значительно отличались от современных. Первичная атмосфера Земли характеризовалась почти полным отсутствием кислорода, значительным содержанием окиси и двуокиси углерода, аммиака и сероводорода. Активно шли вулканические и грозовые процессы, поставляющие эти газы в атмосферу. При растворении этих газов в соленой воде океана и взаимодействия между ними происходили процессы химического синтеза органических молекул. В ходе эволюции появились живые клетки, способные к фотосинтезу. В процессе фотосинтеза образуется кислород. Чем больше появлялось растений на планете, тем значительнее изменялся состав атмосферы. Со временем содержание кислорода существенно увеличилось до 21%, а углекислого газа – уменьшилось до 10%.
Круговорот азота.
Азот входит в состав атмосферы в несвязанном виде в форме двухатомных молекул N2. Приблизительно 78% всего объема атмосферы приходится на долю азота. В количественном выражении это составляет 4•1015 т. Однако ни животные, ни человек, ни растения потреблять молекулярный азот не могут, поэтому он в крайне незначительной степени затрагивается биологическим круговоротом. Общее отношение связанного азота к его количеству в свободном виде составляет 1:1000 000, поэтому азот является наиболее лимитирующим биогенным элементом.
В круговороте азота ключевую роль играют микроорганизмы. Именно они осуществляют основные типы обмена между организмами и средой. Благодаря действию денитрифицирующих бактерий азот постоянно поступает в атмосферу, а под действием азотофиксирующих бактерий возвращается в круговорот.
Круговорот фосфора.
Фосфор принадлежит к числу довольно распространенных элементов. Содержание его в земной коре составляет около 0,1 масс.%. Вследствие легкой окисляемости фосфор в свободном состоянии не встречается. Источником фосфора биосферы являются главным образом фосфорит Ca3(PO4)2 и апатит Ca3(PO4)2 • CaF2 (CaCl2), встречающийся во всех магматических породах.
Фосфор, как и азот, необходим всем живым существам, так как входит в состав белков. В растениях фосфор содержится в белках семян, в животных организмах – в белках молока, крови, мозговой и нервной тканях. Кроме того, большое количество фосфора содержится в костях позвоночных животных в виде Ca3(PO4)2 • Ca(OH)2 и Ca3(PO4)2 • CaCO3 • H2O. В виде кислотного остатка фосфорной кислоты фосфор входит в состав нуклеиновых кислот, которые принимают непосредственное участие в процессах передачи наследственных свойств живой клетки.
Круговорот серы.
Круговорот серы имеет ряд характерных особенностей:
1. обширный резервный фонд в почвах и меньший – в атмосфере;
2. ключевая роль в быстро обменивающемся фонде микроорганизмов, выполняющих определенную работу в окислении или восстановлении;
3. микробная регенерация из глубоководных отложений, в результате которой вверх движется газовая фаза (Н2S).
4. взаимодействие геохимических и метеорологических процессов с биологическими процессами;
5. взаимодействие воздуха, воды и почвы в регуляции круговорота в глобальном масштабе.
Экология атмосферы