Круговорот веществ, роль и место человека в биосфере

Академик В. Р. Вильямс писал, что единственный способ придать чему-то конечному свойства бесконечного — это заста­вить конечное вращаться по замкнутой кривой, т. е. вовлечь его в круговорот.

Все вещества на планете Земля находятся в процессе биохи­мического круговорота. Выделяют два основных кругово­рота: большой (геологический) и малый (биотический).

Большой круговорот длится миллионы лет. Горные породы разрушаются, выветриваются и потоками вод сносят­ся в Мировой океан, где образуют мощные морские напласто­вания. Часть химических соединений растворяется в воде или потребляется биоценозом. Крупные медленные геоктонические изменения, процессы, связанные с опусканием материков и под­нятием морского дна, перемещение морей и океанов в течение длительного времени приводят к тому, что эти напластования возвращаются на сушу и процесс начинается вновь.

Малый круговорот, являясь частью большого, про­исходит на уровне биогеоценоза и заключается в том, что пита­тельные вещества почвы, воды, воздуха аккумулируются в ра­стениях, расходуются на создание их массы и жизненные процес­сы в них. Продукты распада органического вещества под воздей­ствием бактерий вновь разлагаются до минеральных компонен­тов, доступных растениям, и вовлекаются ими в поток вещества.

Возврат химических веществ из неорганической среды через растительные и животные организмы обратно в неорганическую среду с использованием солнечной энергии и химических реак­ций называется биохимическим циклом.

В круговороте веществ участвуют три группы организмов:

Продуценты (производители) — автотрофные организмы и зеленые растения, которые, используя солнечную энергию, со­здают первичную продукцию живого вещества. Они потребляют углекислый газ, воду, соли и выделяют кислород. К этой группе принадлежат некоторые бактерии хемосептики, способные со­здавать органическое вещество.

Консументы (потребители) — гетеротрофные организ­мы, питающиеся за счет автотрофных и друг друга. Они подраз­деляются на: консументы 1-го порядка — животные, питающи­еся растениями, потребляющие кислород и выделяющие угле­кислый газ; консументы 2-го порядка — хищники и паразиты растительных организмов; консументы 3-го и 4-го порядка — сверхпаразиты. Всего в цепи питания существует не более 5 зве­ньев.

Редуценты (восстановители) — организмы, питающиеся организмами, бактериями и грибками. Здесь особенно велика роль микроорганизмов, до конца разрушающих органические остатки, превращающие их в конечные продукты: минеральные соли, углекислый газ, воду, простейшие органические вещества, поступающие в почву и вновь потребляемые растениями.

В результате фотосинтеза на суше ежегодно создается 1,5-10¹⁰-5,5-10¹⁰ т растительной биомассы, в которой заключе­но около 3-Ю¹⁸ Кдж энергии. Весь прирост живого вещества со­ставляет 8,8-Ю¹¹ т/год. Общая масса живого вещества на Земле включает около 500 тыс. видов растений и около 2 млн. видов животных.

Скорость образования биологического вещества (биомассы) т. е. образование массы вещества в единицу времени, называют продуктивностью экосистемы.

На суше общий объем биомассы равен 6,6-10¹² т, что соста­вляет около 4,5-10¹⁸ кДж солнечной энергии. Биомасса океанов существенно меньше, чем на суше, т. е. 3-Ю¹⁰ т. В океане мас­са животных в 30 раз больше массы растений, а на суше масса растений составляет 98-99% от всей биомассы. Биологические продуктивности суши и океана примерно равны, т. к. биомасса океана состоит в основном из одноклеточных водорослей, которая обновляется ежедневно. Обновление биомассы суши происходит в течение 15 лет.

Круговорот энергии связан с круговоротом веществ. Наибо­лее характерен для процессов, происходящих в биосфере, круго­ворот углерода. Соединения углерода образуются, изменяются и разрушаются. Основной путь углерода — от углекислого газа в живое вещество и обратно. Часть углерода выходит из кругово­рота, отлагаясь в осадочных породах океана или в ископаемых горючих веществах органического происхождения (торф, камен­ный уголь, нефть, горючие газы), где уже аккумулирована его основная масса. Этот углерод принимает участие в медленном геологическом круговороте.

Обмен углекислым газом происходит также между атмосфе­рой и океаном. В верхних слоях океана растворено большое количество углекислого газа, находящегося в равновесии с атмо­сферным. Всего в гидросфере содержится около 13-Ю¹³ т рас­творенного углекислого газа, а в атмосфере — в 60 раз меньше. Жизнь на Земле и газовый баланс атмосферы поддерживают­ся относительно небольшими количествами углерода, участву­ющего в малом круговороте и содержащегося в растительных; тканях (5-Ю¹¹ т), в тканях животных (5-Ю⁹ т). Круговорот угле­рода в биосферных процессах представлен рис. 2.

Важную роль в биосферных процессах играет круговорот азота (рис. 3). В них участвует только азот, входящий в опре­деленные химические соединения.

Фиксация его в химических соединениях происходит при вул­канической деятельности, при грозовых разрядах в атмосфере в процессе её ионизации, при сгорании материалов. Определяющее значение в фиксации азота имеют микроорганизмы.

Соединения азота (нитраты, нитриты) в растворах поступа­ют в организмы растений, участвуя в образовании органическо­го вещества (аминокислоты, сложные белки). Часть соединений азота выносится в реки, моря, проникает в подземные воды. Из соединений, растворенных в морской воде, азот поглощается вод­ными организмами, а после их отмирания перемещается в глубь океана. Поэтому концентрация азота в верхних слоях океана за­метно возрастает.

Одним из важнейших элементов биосферы является фосфор, входящий в состав нуклеиновых кислот, клеточных мембран, костной ткани. Фосфор также участвует в малом и большом круговоротах (рис. 4), усваивается растениями. В воде фосфа­ты натрия и кальция растворяются плохо, а в щелочной среде они практически не растворимы.

Ключевым элементом биосферы является вода. Круговорот воды (рис. 5) происходит путем испарения ее с поверхности во­доемов и суши в атмосферу, а затем переносится воздушными массами, конденсируется и выпадает в виде осадков.

Средняя продолжительность общего цикла обмена углеро­да, азота и воды, вовлеченных в биологический круговорот — 300-400 лет. В соответствии с этой

скоростью освобождаются минеральные соединения, связанные в биомассе. Освобождаются и минерализуются вещества гумуса почвы.

Различные вещества имеют разную скорость обмена в био­сфере. К подвижным относят: хлор, серу, бор, бром, фтор. К пассивным — кремний, калий, фосфор, медь, никель, алюми­ний и железо. Круговорот всех биогенных элементов происходит на уровне биогеоценоза. От того, насколько регулярно и пол­но осуществляется круговорот

Рис.3 Круговорот азота

химических элементов, зависит продуктивность биогеоценоза.

Вмешательство человека отрицательно влияет на процессы круговорота. Например, вырубка лесов или нарушение процессов ассимиляции веществ растениями в результате загрязнений при­водят к снижению интенсивности усвоения углерода. Избыток органических элементов в воде под воздействием промышлен­ных стоков вызывает загнивание водоемов и перерасход раство­ренного в воде кислорода, что препятствует развитию аэробных (потребляющих кислород) бактерий. Сжигая ископаемое топли­во, фиксируя атмосферный азот в продуктах производства, свя­зывая фосфор в детергентах (синтетические моющие средства), человек нарушает круговорот элементов.

Скорость круговоротов биогенных элементов достаточно вы­сока. Время оборота атмосферного углерода составляет около 8 лет. Ежегодно в наземных экосистемах в круговорот вовлека­ются примерно 12% содержащегося в воздухе диоксида углерода. Общее время круговорота азота оценивается более чем в 110 лет, кислорода — в 2500 лет.

Круговорот веществ в природе подразумевает общую согла­сованность места, времени и скорости процессов по уровням от популяции до биосферы. Такую согласованность явлений приро­ды называют экологическим равновесием, но это равно­весие подвижное и динамичное.

В процессе своей деятельности человек постоянно воздей­ствует на экосистему в целом или на ее отдельные звенья. На­пример, при отстреле животных, вырубке деревьев, загрязнении природной среды. Не всегда и не сразу это ведет к распаду всей системы, нарушению её стабильности. Но сохранение системы не значит, что она осталась неизменной. Система трансформи­руется и оценить эти изменения крайне сложно.

Рис.4 Круговорот фосфора.

В настоящее время на Земле практически не осталось экоси­стем, не подверженных влиянию человека. Воздействия человека на экосистемы так интенсивны, что организмы не успевают приспособиться к ним. На уровне отдельной особи происходят необратимые изменения: часть насекомых гибнет из-за ядовитости гербицидов, другие оказываются устойчивыми (толерантными) к ним. У некоторых отмечаются изменения в хромосомах (мутации), влияющие на наследственность.

Выброс в атмосферу загрязнителей (оксида серы, азота, фтористых соединений, углеводородов) меняет соотношение газов в атмосферном воздухе и создает помехи реакциям фотосинтеза, а в некоторых случаях убивает листву. В индустриальных районах повышение содержания в почве марганца, хрома, никеля, меди, кобальта, свинца снижает урожайность сельскохозяйственных культур. Например, пшеницы на 20-30%, картофеля на 47%, сахарной свеклы на 35%. Такие помехи ведут к разрушению экосистемы в целом, т. к. уничтожается основной трофический уровень — продуценты. За разрушением отдельных экосистем может последовать и разрушение биосферы в целом или намного снизится ее продуктивность.

Вырубка лесов, эрозия почв, замещение природных ландшафтов строительными объектами, горными выработками и города­ми снижает общую биомассу фотосинтетиков, делает привыч­ным биотический круговорот, отрицательно влияет на жизнь человека.

Развитие биосферы связано с появлением человека на Земле, но длительное время воздействия человека на биосферу опреде­лялись только наличием его как биологического вида.

Жизнь живых организмов, в т. ч. и человека, невозможна без окружающей среды, без природы. Человеку свойственен об­мен веществ с окружающей средой, который является основным условием существования любого живого организма.

Организм человека во многом связан с компонентами биосфе­ры — растительностью, насекомыми, животными, микроорга­низмами. Он входит в глобальный круговорот веществ. Челове­ческий организм, как и организмы других животных, подвержен суточным и сезонным ритмам, реагирует на сезонные изменения окружающей температуры, интенсивности (активности) солнеч­ной радиации.

Человек — часть природы, но благодаря эволюционному раз­витию биологических систем животный предок человека подо­шел к той грани, за

которой открылась возможность его социальной эволюции. Сегодня человек является частью особой социальной среды — общества. Человек обладает уникальной способностью самопознания, познания и преобразования окру­жающего мира.

Человек, как живое существо и человеческий род, как со­вокупность индивидов, подчиняется законам экосистемы и экосферы. Специфика экосистемы «Человек— окружающая среда» определяется не только физическими и биологическими факторами, но также социально-экономическими условиями, ко­торые по мере развития общества приобретают все большее значение в отношениях человека и природы. В процессе целесо­образной трудовой коллективной деятельности человек воздей­ствует на природу, меняет способы организаций своей жизни, создает особые формы общественных отношений.

Биологический обмен веществ между человеком и приро­дой сохранился. Природа остается постоянным условием жизни человека и развития общества. Однако в результате производ­ственной деятельности возник новый процесс обмена веществ и энергии между природой и обществом. Этот обмен носит уже техногенный характер и называется антропогенным или социальным обменом веществ и энергии.

Антропогенный обмен существенно изменяет общепланетарный круговорот веществ, резко ускоряя его. Он отличается от биотического круговорота своей незамкнутостью, носит откры­тый характер. На входе антропогенного обмена находятся при­родные ресурсы, а на выходе — производственные и бытовые отходы. Экологическое несовершенство антропогенного обмена заключается в том, что коэффициент полезного использования природных ресурсов, как правило, чрезвычайно низок, а отхо­ды производства ухудшают природную среду, многие из них не разлагаются до природного состояния. В период научно-техни­ческого прогресса и на стадии его интенсификации масштабы и скорость антропогенного обмена резко возрастают, вызывая заметные напряжения в биосфере.

До появления человека равновесие биосферы определяли пять энергетических факторов: солнечная радиация, сила гравита­ции, тектонические силы, химическая энергия (окислительно- восстановительные_процессы), биогенная энергия (фотосинтез у растений, хемосинтез у бактерий, усвоение и окисление пищи у животных, размножение и продуктивность у биомассы). Эти факторы развивались по геологической шкале времени и за 3,5 млрд. лет сформировали природную среду.

В настоящее время появился новый фактор — энергия ми­рового производства. Этот фактор развивается не по геологиче­ской, а по исторической шкале времени. От организации про­изводства зависит сохранение или необратимое нарушение по­движного равновесия в биосфере.

Нa современном этапе исторического развития сложились две формы взаимодействия общества и природы: экономичес­кая и экологическая. Экономическая форма — по­требление ресурсов природы, т. е. использование их для удовле­творения человеком своих материальных и духовных потребно­стей. Экологическая форма— охрана окружающей при­родной среды с целью сохранения человека как биологическо­го и социального организма и его естественной среды обита­ния.

Человек, потребляя природные ресурсы для решения своих хозяйственных задач, еще и изменяет природную среду, кото­рая как бумеранг, начинает воздействовать негативно на самого человека.

За всю историю цивилизации было вырублено 2/3 лесов, уни­чтожено более 200 видов животных и растений, запасы кислоро­да в атмосфере снизились на 10 миллиардов тонн, в результа­те неправильного ведения сельского хозяйства потеряно около 200 млн. га сельхозугодий.

В последнее время хозяйственное давление человека на при­роду существенно усилилось: ежегодно в результате только не­рациональной его деятельности обращаются в пустыни 44 га зе­мель, уничтожается 690 тыс. га лесов, исчезает по одному виду животных и растений.

Негативная деятельность человека проявляется в следующих трех направлениях: загрязнение окружающей природной среды, истощение природных ресурсов, разрушение природной среды.

Под загрязнением среды обитания понимают физико-хими­ческие изменения состава природного вещества (воздуха, воды, почвы), которые неблагоприятно влияют на окружающую среду обитания.

Загрязнение окружающей природной среды бывает косми­ческое, т.е. естественное, которое Земля получает из Космоса или при извержении вулканов, и антропогенное, связанное с хозяйственной деятельностью человека.

Антропогенное загрязнение окружающей среды подраз­деляется на пылевое, газовое, химическое (в т. ч. загрязнение почвы химикатами), ароматическое, тепловое (изменение температуры воды, воздуха, почвы), радиоактивное. Источником (загрязнений является хозяйственная деятельность человека: про­мышленность, сельское хозяйство, транспорт. Доля того или иного источника загрязнения может значительно колебаться в зависимости от региона.

Таким образом, человек стал в настоящий период главной силой, изменяющей процессы в биосфере. Управлять этими процессами человек только учится. Научно-технический прогресс зна­чительно опередил наши знания законов биосферы, что привело к заметному нарушению биосферного равновесия, превышению возможностей природных систем по самоочищению. Необходимо изучать законы природы, чтобы предотвратить ее разрушение, найти пути разумного использования природных ресурсов и сба­лансированного природопользования.

Гармоничное сосуществование человека и природы — новый этап в развитии биосферы, который академик В. И. Вернадский назвал ноосферой (греч. ncos — разум).

Охрана атмосферы