Биотический круговорот веществ и энергии в природных экосистемах

Организация жизни на Земле в виде экосистем является одним из необходимых условий ее существования.

Запасы биогенных элементов, из которых строят тела живые организмы, на Земле в целом и на каждом конкретном участке на ее поверхности небезграничны. Лишь система круговоротов могла придать этим запасам свойство бесконечности, необходимое для продолжения жизни. Поддерживать и осуществлять круговорот могут только функционально различные группы организмов

Таким образом, функционально-экологическое разнообразие живых существ и организация потока извлекаемых из окружающей среды веществ в циклы — древнейшее свойство жизни. Главный участник биотического круговорота – углерод, как основа органических веществ (рис. 3).

Круговорот углерода

Наибольшее количество углерода содержится в литосфере в виде двух больших резервуаров, имеющих разное химическое происхождение:

- в составе осадочных карбонатов, всех форм МСО₃;

- в составе ископаемых топлив, большая часть которых представляет собой биогенное и биокосное вещество – фоссилизированную, т.е. погребенную и преобразованную органику (от англ, fossil – окаменелый, ископаемый) – уголь, нефть, газ, нефтеносные сланцы, битуминозные пески, асфальт.

Небольшое количество углерода содержится в литосфере в виде графита и алмазов.

В гидросфере углерод находится в основном в виде гидрокарбоната НСО₃, растворенного диоксида СО₂ и некоторого количества растворимой органики.

В атмосфере – в виде СО₂ и относительно небольшой доли примесных газов, пыли и аэрозолей, содержащих углерод.

Рис. 3. Глобальный круговорот углерода. Резервуары – в Гт, потоки – в Гт/год

Вся мертвая органика, задействованная в биотическом круговороте, все формы детрита, органика почв и илов отнесены к биосфере.

Биомасса живых организмов содержит меньше 0,001% углерода Земли, но практически полностью определяет его планетарный круговорот.

Основная часть круговорота углерода происходит между биотой суши и океана и атмосферой. По сравнению с этими потоками остальные потоки малы. Но так как их действие охватывало огромные по длительности геологические эпохи, связанные с этими потоками, утечки привели к образованию гигантских масс ископаемых топлив и осадочных карбонатов.

Фоссилизация биогенного углерода, пик которой относится к каменноугольному периоду палеозойской эры (карбон – 350 – 290 млн. лет назад), в настоящее время не происходит. Идет противоположный процесс, в тысячи раз более мощный – техногенное сжигание ископаемых топлив.

Круговорот кислорода

В отличие от углерода, резервуары доступного для биоты кислорода по сравнению с его потоками огромны. Поэтому отпадает проблема глобального дефицита О₂ и замкнутости его круговорота (рис. 3). Биотический круговорот кислорода составляет 270 Гт/год.

Рис. 4.Круговорот кислорода (по П. Агесс)

Кислород на Земле — первый по распространенности элемент (вес. %):

- в атмосфере – 23,1;

- в биосфере (в составе сухой органики) – 44,8;

- в литосфере – 47,2;

- в гидросфере (в составе воды) – 86,9.

Для водных организмов нужен растворенный в воде кислород. Его среднее содержание в фотическом слое гидросферы составляет 4,5 мг/л и значительно колеблется.

Содержание кислорода в атмосфере во много раз больше – 288 мг/л – и на протяжении длительной геологической эпохи постоянно. Наземные животные довольно чувствительны к отклонениям от этого уровня. Некоторый дефицит кислорода для животных и человека возникает только в высокогорье, в зонах интенсивного потребления и в искусственных устройствах. Биота биосферы, сыгравшая решающую роль в оксигенизации атмосферы, подвела его концентрацию в воздухе до черты, за которой уровень окислительной способности среды становится уже опасным для биоты.

С круговоротом кислорода тесно связано образование озона. В высоких слоях атмосферы под влиянием жесткой ультрафиолетовой части солнечного спектра происходит ионизация и диссоциация части молекул кислорода, образуется атомарный кислород, который немедленно присоединяется к возбужденным молекулам кислорода, образуя озон – трехатомный кислород:

На образование озона тратится около 5 % поступающей к Земле солнечной энергии – около 8,6∙10¹⁵ Вт. Реакции легко обратимы. При распаде озона эта энергия выделяется, за счет чего в верхних слоях атмосферы поддерживается высокая температура. Средняя концентрация озона в атмосфере составляет около 10^-6 объемных процентов; максимальная концентрация О₃ – до 4∙10^-6 объемных процентов достигается на высотах 20 – 25 км.

Поглощая при своем образовании значительную часть жестких ультрафиолетовых лучей, озон играет большую защитную роль для всей экосферы.

Говоря о круговоротах веществ в экосистемах, необходимо еще раз подчеркнуть, что вынос вещества (для некоторых экосистем) за их пределы настолько велик, что их стабильность поддерживается в основном за счет притока такого же количества вещества извне, тогда как внутренний круговорот малоэффективен. Таковы проточные водоемы, реки, ручьи, участки на крутых склонах гор. Другие экосистемы имеют значительно более полный круговорот веществ и относительно автономны (леса, луга, озера и т. п.). Но ни одна, даже самая крупная экосистема Земли не имеет полностью замкнутого круговорота веществ. Материки обмениваются веществом с океанами, литосферой (при большом участии в этих процессах атмосферы), а вся наша планета часть материи и энергии получает из космоса, а часть отдает в космос.