Социально-экономическая концепция
В течение длительного периода, когда человек находился еще в животной стадии, он выполнял в природе функцию естественного экологического фактора в роли консумента растительной и животной продукции и всецело подчинялся законам природы. однако, с появлением человека разумного это положение коренным образом изменилось: став существом биосоциальным, человек вырвался из-под непосредственного давления экологическихзакономерностей и стал существенной, по В.И.Вернадскому, геохимической силой планеты. При этом сила антропогенного влияния на природу со временем стала сопоставима с важнейшими силами природы, отставая от них на 1-2 порядка.
По мере того, как человечество рассеялось по планете и осваивало различного рода ремесла и земледелие, появилась так называемая техносфера, которая прошла три основные стадии: Наиболее раннюю, когда строительным материалом было дерево, а источником энергии-вода; во второй стадии преобладали железо и уголь. В начале ХХ столетия стали использоваться сплавы металлов и электроэнергия (3-я стадия). В настоящее время прогнозируется четвертая стадия в развитии техносферы-стадия биотехники, т.е.техники, основанной на законах биологии. Движение по этому пути началось с создания ЭВМ по модели головного мозгачеловека. Далее, по мнению В.И.Вернадского, наступит черёд ноосферы-создания разумного начала, способного объединить биосферу и техносферу в одно органичное целое.
Техносфера, изначально существующая за счет биосферы, стала развиваться по своим собственным законам, все чаще вступая в конфликт сэволюционными тенденциями биосферы. Нарушение экологических законов биосферы проявляется в следующем: 1)превышение меры присвоения ресурсов,подрывающее их естественное воспроизводство; 2)разрушение экосистем и ландшафтов, превращение их в экосистемы с крайне низкой и даже нулевой продуктивностью; 3)загрязнение биосферы неразлагающимися или трудноразлагающимися токсичными отходами производства, транспорта, быта; 4)разрыв циклических путей превращения веществ в производстве, производящий к непредсказуемым, необратимым и опасным для системы последствиям; 5)высокая концентрация производства при ультравысокой плотности людей в крупных городах мегаполисах).
Таким образом, с биологической точки зрения человечество, само являлось продуктом биосферы. Проявило себя как вид, «приносящий бедствия», поскольку оказался неспособным ни поддерживать равновесие между масштабами своей хозяйственной деятельности и количеством отходов производства, ни ограничить постоянный рост народонаселения.
Разрабатывая свою теорию, В.И.Вернадский видел в ноосфере неотъемлемые черты самой биосферы и новый этап её эволюционного развития, на котором происходит разумное регулирование отношений между человеком и природой. Ноосфера будущего должна выступить в качестве фактора, устраняющего конфликт между биосферой и техносферой, где человечество возьмет на себя роль творческого помощника и представителя интересов эволюции. Растущее противоречие между техносферой и биосферой может быть преобразовано в сотрудничество за счет установления человеком в масштабах земной биосферы разумного порядка между развивающейся техносферой и своим собственным биологическим видом с его постоянно растущей численностью. Историческая необходимость участвовать в создании ноосферы будущего представляет чрезвычайно жесткие требования к поведению каждого жителя нашей планеты. Кроме того, необходимо найти механизмы научного подхода в реализации поставленной цели. А пока что, по мнению многих специалистов, современное состояние биосферы таково, что его можно сравнить с балансированием на грани между эволюционной трансформацией биосферы и сохранением в ней человека и положением, которое грозит полным исчезновением человека в силу разрушения биосферы. Человечество может пасть жертвой разрушительного воздействия на все оболочки биосферы и неконтролируемого роста народонаследования.
В любом случае срок жизни биосферы ограничен и в лучшем случае равен продолжительности существования Солнца. Однако, есть надежда, что молодые её ростки будут отправлены в космическое пространство для освоения новых районов Вселенной.
130.Живое вещество. Его роль в природе. Миграция химических элементов. Биотический -круговорот вещества и энергии. Одна из основных заслуг В.И. Вернадского состоит в том, что он впервые обратил внимание на роль живых организмов как мощного геологического фактора, на то, что живое вещество выполняет в биосфере различные биогеохимические функции. Благодаря этому обеспечиваются круговорот веществ и превращение энергии и, в итоге, целостность, постоянство биосферы, ее устойчивое существование. Живым веществом Вернадский называл «совокупность организмов, сведенных к их весу, химическому составу и энергии».
Живое вещество обладает рядом специфических свойств:
1. Живое вещество характеризуется огромной свободной энергией.
2. В живом веществе химические реакции протекают в тысячи (иногда и в миллионы) раз быстрее, чем в неживом веществе. Поэтому для характеристики изменений в живом веществе пользуются понятием исторического, а в косном веществе – геологического времени.
3. Химические соединения, входящие в состав живого вещества (ферменты, белки и др.), устойчивы только в живых организмах.
4. Живому веществу присуще произвольное движение – пассивное, обусловленное ростом и размножением, и активное – в виде направленного перемещения организмов. Первое является свойством всех живых организмов, второе характерно для животных и в редких случаях – для растений.
5. Для живого вещества характерно гораздо большее химическое и морфологическое разнообразие, чем для неживого.
Живое вещество в биосфере Земли находится в виде дисперсных тел – индивидуальных организмов. Размеры и масса живых организмов сильно колеблются (диапазон более 109 (рис. 10)).
6. Живое вещество возникает только из живого и существует на Земле в форме непрерывного чередования поколений.
В. И. Вернадский выделил две формы концентрации живого вещества: жизненные пленки, занимающие огромные пространства (планктонная и донная пленки морей и океанов), и сгущения жизни, представленные небольшими площадями (небольшие водоемы, прибрежные отмели, рифы). Для остальной территории биосферы характерно "разрежение живого вещества". В.И. Вернадский подчеркивал, что способность живого вещества к размножению приводит к распространению, "растеканию" живого вещества по поверхности планеты. Живое вещество с мгновенной скоростью захватывает все "незанятые", "оголенные" или временно вышедшие из-под "давления жизни" участки биосферы. Организмы, стоящие на относительно низком уровне эволюционного развития, в количественном отношении значительно преобладают.
Масса живого вещества очень мала по сравнению с массой неживого вещества и составляет всего 0,01 – 0,02 % от косного вещества биосферы. В то же время живое вещество играет главенствующую роль в геохимических процессах. Ежегодно благодаря жизнедеятельности растений и животных воспроизводится около 10 % биомассы.
Важнейшими функциями живого вещества в биосфере
являются:
1) энергетическая,
2) газовая,
3) окислительно-восстановительная,
4) концентрационная,
5) деструктивная,
6) транспортная,
7) средообразующая,
8) рассеивающая,
9) информационная.
Энергетическая функция заключается в накоплении и преобразовании растениями энергии Солнца (бактерии-хемоавтотрофы преобразуют энергию химических связей) и передаче ее по пищевым цепям: от продуцентов – к консументам и далее – к редуцентам. При этом энергия постепенно рассеивается, но часть ее вместе с остатками организмов переходит в ископаемое состояние, "консервируется" в земной коре, образуя запасы нефти, угля и др.
В осуществлении газовой функции ведущая роль принадлежит зеленым растениям, которые в процессе фотосинтеза поглощают углекислый газ и выделяют в атмосферу кислород. В то же время большинство живых организмов (и растения в том числе) в процессе дыхания используют кислород, выделяя в атмосферу углекислый газ. Таким образом, участвуя в обменных процессах, живое вещество поддерживает на определенном уровне газовый состав атмосферы.
Окислительно-восстановительная функция тесно связана с энергетической. Существуют микроорганизмы, которые в процессе жизнедеятельности окисляют или восстанавливают различные соединения, получая при этом энергию для жизненных процессов. Велико их значение для образования многих полезных ископаемых. Например, деятельность железобактерий по окислению железа привела к образованию таких осадочных пород как железные руды; серобактерии, восстанавливая сульфаты, образовали месторождения серы.
Концентрационная функция заключается в способности живых организмов накапливать различные химические элементы. Например, осока и хвощ содержат много кремния, морская капуста и щавель – йод и кальций. В скелетах позвоночных животных содержится большое количество фосфора, кальция, магния. Осуществление данной функции способствовало образованию залежей известняка, мела, торфа, угля, нефти.
Деструктивная – минерализация абиогенного вещества, разложение неживого неорганического вещества, разрушение организмами и продуктами их жизнедеятельности, в том числе и после их смерти, как самих остатков органического вещества, так и косных веществ. Основной механизм этой функции связан с круговоротом веществ. Наиболее существенную роль в этом отношении выполняют низшие формы жизни – грибы, бактерии (деструкторы, редуценты).
Транспортная – перенос вещества и энергии в вертикальном и горизонтальном направлениях. Часто такой перенос в результате активной формы движения организмов осуществляется на колоссальные расстояния, например, при миграциях и кочевках животных.
Средообразующая – эта функция в значительной мере представляет результат совместного действия других функций. С ней, в конечном счете, связано преобразование физико-химических параметров среды. Эту функцию можно рассматривать в широком и более узком плане. В широком понимании результатом данной функции является вся природная среда. Она создана живыми организмами, они же и поддерживают в относительно стабильном состоянии её параметры практически во всех геосферах. В более узком плане средообразующая функция живого вещества проявляется, например, в образовании и сохранении почв от разрушения (эрозии), в очистке воздуха и вод от загрязнений, в усилении питания источников грунтовых вод и т. п.
Рассеивающая функция, противоположная концентрационной. Она проявляется через трофическую (питательную) и транспортную деятельность организмов. Например, рассеивание вещества при выделении организмами экскрементов, гибели организмов, приразного рода перемещениях в пространстве, смене покровов.
Информационная функция живого вещества выражается в том, что живые организмы и их сообщества накапливают информацию, закрепляют её в наследственных структурах и передают последующим поколениям. Это одно из проявлений адаптационных механизмов.
Главная функция биосферы заключается в обеспечении круговорота химических элементов, который выражается в циркуляции веществ между атмосферой, почвой, гидросферой и живыми организмами. Живые организмы осуществляют миграцию химических элементов в биосфере в процессе дыхания, питания, обмена веществ и энергии.
Обмен веществом и энергией, осуществляющийся между различными структурными частями биосферы и определяющийся жизнедеятельностью микроорганизмов, называется биогеохимическим циклом. Это понятие ввел в мировую науку В. И. Вернадский, и только после этого перестало существовать представление о круговороте веществ как о замкнутой системе. Все биогеохимические циклы составляют современную динамическую основу существования жизни. Они взаимосвязаны между собой, и в то же время каждый из них играет свою неповторимую роль в эволюции биосферы.
Отдельные циклические процессы вместе с тем не являются полностью обратимыми. Одна часть элементов и соединений в процессе миграции и превращения рассеивается или связывается в новых системах и, следовательно, выпадает из круговорота. Другая часть веществ способна возвратиться в круговорот, но довольно часто он приобретает новые качества, и при этом изменяется количественный состав веществ, участвующих в круговороте. Часть веществ вследствие геологических процессов, в частности,субдукции, может извлекаться из круговорота и, перемещаясь в нижние горизонты литосферы, видоизменяться, а часть, в основном в газообразном состоянии, – удаляться из атмосферы в космическое пространство.
Продолжительность круговоротов тех или иных веществ в разных системах чрезвычайно различна. Установлено, что полный оборот углекислого газа в атмосфере через фотосинтез составляет около
300 лет, кислорода атмосферы и тоже через фотосинтез – 2.000-2.500 лет, азота атмосферы через биологическую фиксацию и фотохимическим путем – примерно 100 млн. лет, а воды через испарение – около
2 млн. лет.
В биосферном и биологическом круговоротах участвует огромное количество химических элементов и соединений, но важнейшими из них являются те, которые определяют современный этап развития биосферы, связанный с хозяйственной деятельностью человека. К ним относятся круговороты углерода, серы, азота и фосфора. Оксиды первых трех являются главными загрязнителями атмосферы, а фосфаты — загрязнителями водных бассейнов. Большое значение имеет знание круговоротов ряда токсичных элементов и, в частности, ртути (загрязнитель пищевых продуктов) и свинца (компонент бензина, который выступает как загрязнитель почвы и атмосферы). В круговороты вовлекаются многие вещества антропогенного происхождения (ДДТ, пестициды, радионуклиды и др.), которые наносят вред биоте и здоровью человека.
Благодаря круговоротам веществ конечное количество вещества, имеющееся в биосфере, приобретает свойство бесконечности.
Глобальный круговорот веществ складывается из отдельных круговоротов (воды, химических элементов), к которым подключаются грандиозные перемещения воздушных масс, тектонические процессы, обусловленные вулканической деятельностью и движением океанических плит.
Круговорот веществ возможен только на основе постоянного притока солнечной энергии и осуществляется при участии живого вещества. Поступая в организмы из окружающей среды, различные элементы вовлекаются в процессы клеточного метаболизма, затем возвращаются в среду и вновь используются организмами. Благодаря этому биосфера функционирует как целостная, саморегулирующаяся, сохраняющая постоянство система.
Основными элементами глобального круговорота являются углерод, водород, кислород, азот, фосфор, сера. Круговороты этих и других элементов называют биогеохимическими циклами. В ходе таких циклов большинство элементов проходят через живое вещество огромное число раз.
Круговорот углерода. В основе биогенного круговорота углерода лежит неорганическое вещество – диоксид углерода (углекислый газ). В природе СО2 входит в состав атмосферы, а также находится в растворенном виде в гидросфере. Фактически круговорот углерода идет по двум циклам – континентальному и океаническому (рис.19). Объединение между этими циклами происходит через углекислый газ атмосферы.
Включение углерода в состав органического вещества происходит в процессе фотосинтеза, в результате которого на основе углекислого газа и воды образуются сахара. В дальнейшем другие процессы биосинтеза преобразуют их в более сложные органические вещества. Эти соединения формируют ткани фотосинтезирующих организмов и служат источником органических веществ для животных. Следовательно, углекислый газ поглощается продуцентами, преобразуется в процессе фотосинтеза в органические соединения, которые затем усваиваются консументами.
Вместе с тем происходит обратный процесс: углекислый газ образуется при дыхании организмов и разложении мертвого вещества (остатков растений и животных) редуцентами. В процессе дыхания все организмы окисляют сложные органические вещества в конечном итоге до СО2, который выводится во внешнюю среду, где может вновь вовлекаться в процесс фотосинтеза. Углеродсодержащие органические соединения тканей живых организмов после их смерти подвергаются биологическому разрушению организмами-редуцентами, в результате чего углерод в виде Н2СО3 вновь поступает в круговорот.
Углерод в составе углекислоты также поступает в окружающую среду из мантии Земли при извержении вулканов, с выхлопными газами автомашин, с дымовыми выбросами заводов и фабрик, при сгорании горючих ископаемых.
При определенных условиях разложение накапливаемых мертвых остатков в почве идет замедленным темпом через образование гумуса, минерализация которого под воздействием грибов и бактерий происходит с низкой скоростью. В некоторых случаях цепь разложения органического вещества бывает неполной. В частности, деятельность организмов-деструкторов может подавляться недостатком кислорода или повышенной кислотностью. В этом случае органические остатки накапливаются в виде торфа, углерод не высвобождается, и круговорот приостанавливается. Аналогичным образом в прошлые геологические эпохи происходило образование каменного угля и нефти. Сжигание ископаемого топлива в настоящее время возвращает углерод, выключенный ранее из круговорота, в атмосферу.
В гидросфере приостановка круговорота углерода связана с включением СО2 в состав СаСО3 в виде известняков. В этом случае углерод выключается из круговорота на целые геологические эпохи до поднятия органогенных пород над уровнем моря. Тогда круговорот возобновляется через выщелачивание известняков атмосферными осадками, а также биогенным путем под воздействием лишайников, корней растений.
В естественных циклах баланс углерода нулевой. Однако деятельность человека приводит к тому, что содержание углекислого газа в атмосфере ежегодно повышается (на 3 млрд. т), возникает парниковый эффект (рис. 20) – чрезмерное поглощение воздухом теплового излучения Земли. Вследствие этого может произойти глобальное потепление климата, резкое повышение уровня Мирового океана в результате таяния ледников. Это, в свою очередь, может привести к затоплению густонаселенных приморских районов и возрастанию опустынивания в центральных частях континентов.
Круговорот водорода. Водород на Земле находится преимущественно в гидросфере в составе воды. Содержание его в литосфере и атмосфере сравнительно невелико. Он входит также в состав органических веществ. Огромные массы водорода, наряду с кислородом, участвуют в круговороте воды – одном из наиболее мощных циклических процессов на планете.
Особенностью водорода является его способность (наряду с гелием) уходить из поля тяготения Земли благодаря своей малой атомной массе. Эти потери компенсируются выделением водорода из мантии (рис. 21). Молекулярный водород поступает в атмосферу Земли в результате вулканической деятельности, его выделяют также некоторые бактерии. После появления на нашей планете живых организмов водород стал связываться в органическом веществе.
Круговорот кислорода (рис. 22). Кислород на Земле содержится в основном в литосфере в виде диоксида кремния и силикатов.
Кроме того, кислород есть в составе воды, образующей гидросферу. В атмосфере кислород находится в молекулярном виде. Он является продуктом процессов жизнедеятельности растений и в то же время одним из основных условий существования жизни на Земле. Образование свободного кислорода связано со световой энергией Солнца. Исходным сырьем для образования кислорода служит вода. Почти весь свободный кислород на Земле – это результат реакции фотосинтеза органического вещества из воды и диоксида углерода
(рис. 23).
Некоторое количество кислорода образуется при разложении воды в верхних слоях атмосферы. Кислород входит в состав многих органических соединений. Между живыми организмами и атмосферой происходит постоянный обмен кислородом.
Несмотря на выделение кислорода зелеными растениями, его содержание в атмосфере не увеличивается. Одновременно с фотосинтезом происходит разложение органического вещества, при этом поглощается практически весь выделившийся кислород. Часть кислорода расходуется на окисление неорганических веществ. Незначительное количество атмосферного кислорода участвует в цикле образования и разрушения озона – О3 (рис. 24).
Круговорот кислорода и водорода в составе воды. Кислород и водород входят в состав всех органических соединений. Они поглощаются продуцентами в составе воды и углекислого газа в процессе фотосинтеза, всеми другими организмами – с органическим веществом, созданным продуцентами, при дыхании (из атмосферы или из водного раствора) и употреблении питьевой воды. Как конечные продукты биологического круговорота водород и часть кислорода возвращаются в неживую природу также в виде воды.
Гидрологический цикл (круговорот воды в природе) является основой существования жизни на Земле. Без воды жизнь невозможна в принципе, потому что при ее участии протекают все органические химические реакции. Поэтому все живое постоянно нуждается в чистой воде.
Гидрологический цикл (рис. 25) – это непрерывное движение воды из гидросферы и с земной поверхности в атмосферу и обратно. Движение обеспечивается четырьмя процессами: испарением, конденсацией, выпадением осадков и стоком вод. Выпавшие осадки частично снова испаряются и конденсируются, частично пополняют водоемы (или создают новые), а частично уходят под землю, образуя грунтовые воды.
Существует Большой круговорот воды в природе и еще два малых – океанический и континентальный. Большой круговорот воды в природе иначе называют Мировым. Над океаном собираются осадки, ветры несут их на континенты, там они выпадают и со стоком вновь возвращаются в океан. Так природа превращает соленую воду в пресную.
Малый океанический круговорот происходит над океаном – он заключается в непрерывном испарении воды, конденсации, образовании осадков и выпадении их обратно в океан. Континентальный круговорот воды происходит точно так же, только над поверхностью суши, но океан теряет в процессе круговорота больше воды, нежели получает с осадками. А на суше ситуация обратная – воды выпадает намного больше, чем испаряется. Вся вода, когда-либо выпавшая на сушу в виде осадков, рано или поздно вернется в океан.
Земля на три четверти покрыта водой. И большая часть этой воды – соленая. Существует три агрегатных состояния, в которых может находиться вода: жидкое, твердое и газообразное. От того, в каком из состояний пребывает вода, зависит скорость ее движения, а, следовательно, время, через которое совершается круговорот воды в природе. Пар быстро переносится ветром, конденсируется и выпадает в виде осадков. Вода, чтобы проделать этот путь, должна сначала испариться,а лед – еще и растаять.
Поэтому круговорот воды в природе в разных местах происходит с разной скоростью. Быстрее всего вода обновляется внутри живых организмов. Чтобы восстановить запас чистой воды внутри себя, человеку понадобится всего несколько часов. Печень и почки оперативно справляются с этой задачей. Поэтому можно сказать, что самый быстрый круговорот воды в природе происходит внутри ее ходящих, летающих и плавающих составляющих. А вот ледники полярных стран полностью обновляются лишь один раз в 9700 лет. Вода, содержащаяся в почве, очищается каждый год, а та, что в облаках, – раз в восемь дней. Горный ледник полностью обновит свой состав за 1600 лет. Весь Мировой океан способен полностью очиститься за 2700 лет. Это очень долго. Поэтому следует понимать – чем больше мы загрязняем воду промышленными стоками, тем скорее рискуем столкнуться с тотальным дефицитом чистой пресной воды. Круговорот воды в природе сам не может справиться с темпами загрязнения планеты.
Круговорот азота. Главный источник азота органических соединений – газообразный азот N2 в составе атмосферы. Молекулярный азот не усваивается живыми организмами. Переход его в доступные живым организмам соединения (фиксация) может происходить несколькими путями. Фиксация азота частично происходит в атмосфере, где при грозовых разрядах образуется оксид азота (II), который окисляется до оксида азота (IV), с последующим образованием азотной кислоты и нитратов, выпадающих на поверхность Земли с атмосферными осадками (рис. 26).
Наиболее важной формой фиксации азота является ферментативная фиксация (рис. 27) в процессе жизнедеятельности сравнительно немногих видов организмов-азотфиксаторов. Отмирая, они обогащают среду органическим азотом, который быстро минерализуется. Наиболее эффективна фиксация азота, осуществляемая бактериями, формирующими симбиотические связи с бобовыми растениями. В результате их деятельности в наземных и подземных органах растений (например, клевера или люцерны) за год накапливается азота до 150-400 кг на 1 га. Азот связывают также свободноживущие азотфиксирующие почвенные бактерии, а в водной среде – сине-зеленые водоросли (цианобактерии). Все азотфиксаторы включают азот в состав аммиака (NH3), и он сразу же используется для образования органических веществ, в основном для синтеза белков. Минерализация азотсодержащих органических веществ редуцентами происходит в результате процессов аммонификации и нитрификации. Аммонифицирующие бактерии в процессе биохимического разложения мертвого органического вещества переводят азот органических соединений в аммиак, который в водном растворе образует ионы аммония (NH4+). В результате деятельности нитрифицирующих бактерий в аэробной среде аммиак окисляется в нитриты (NO2-), а затем в нитраты (NO3-).
Большинство растений получают азот из почвы в виде нитратов. Поступающие в растительную клетку нитраты восстанавливаются до нитритов, а затем до аммиака, после чего азот включается в состав аминокислот, составляющих белки. Часть азота растениями усваивается непосредственно в виде ионов аммония из почвенного раствора.
Животные получают азот по пищевым цепям прямо или опосредованно от растений (рис. 28). Экскреты и мертвые организмы, составляющие основу детритных пищевых цепей, разлагаются и минерализуются организмами-редуцентами, превращающими органический азот в неорганический.
Возвращение азота в атмосферу происходит в результате деятельности бактерий-денитрофикаторов, осуществляющих в анаэробной среде процесс, обратный нитрификации, восстанавливая нитраты до свободного азота.
Значительная часть азота, попадая в океан (в основном со стоком вод с континентов), используется водными фотосинтезирующими организмами, прежде всего фитопланктоном, а затем, попадая в цепи питания животных, частично возвращаются на сушу с продуктами морского промысла или птицами. Небольшая часть азота попадает в морские осадки.
Круговорот фосфора. Биологическое значение фосфора в жизнедеятельности организмов исключительно велико. Его соединения входят в состав нуклеиновых кислот, клеточных мембран, систем переноса энергии, в состав мозга и костной ткани. Содержание фосфора в тканях растений составляет 250-350, морских животных – 400-1800, наземных животных – 170-4400, бактерий – около 3000 мг на 100 г сухого вещества. Как и углерод, фосфор участвует в биологическом и геологическом круговороте вещества.
В круговороте фосфора, в отличие от круговоротов углерода и азота, отсутствует газовая фаза. Фосфор в природе в больших количествах содержится в минералах горных пород и попадает в наземные экосистемы в процессе их разрушения. Выщелачивание фосфора осадками приводит к поступлению его в гидросферу и соответственно в водные экосистемы. Растения поглощают фосфор в виде растворимых фосфатов из водного или почвенного раствора и включают его в состав органических соединений – нуклеиновых кислот, систем переноса энергии (АДФ, АТФ), в состав клеточных мембран. Другие организмы получают фосфор по пищевым цепям (рис. 29). В организмах животных фосфор входит в состав костной ткани, дентина.
В процессе клеточного дыхания происходит окисление органических соединений, содержащих фосфор, при этом органические фосфаты поступают в окружающую среду в составе экскретов. Организмы-редуценты минерализуют органические вещества, содержащие фосфор, в неорганические фосфаты, которые вновь могут быть использованы растениями и, таким образом, снова вовлекаться в круговорот (рис. 30).
Поскольку в круговороте фосфора отсутствует газовая фаза, фосфор как и другие биогенные элементы почвы, циркулирует в экосистеме лишь в том случае, если отходы жизнедеятельности откладываются в местах поглощения данного элемента. Нарушение круговорота фосфора может происходить, например, в агроэкосистемах, когда урожай вместе с извлеченными из почвы биогенами перевозится на значительные расстояния, и они не возвращаются в почву в местах потребления.
После неоднократного потребления фосфора организмами на суше и в водной среде, в конечном итоге он выводится в донные осадки в виде нерастворимых фосфатов. После поднятия осадочных пород над уровнем моря в ходе большого круговорота вновь начинают действовать процессы выщелачивания и бигенного разрушения.
Внесение фосфорных удобрений, представляющих собой продукты переработки осадочных пород, позволяет восполнить потребленный фосфор в регионах с интенсивным сельскохозяйственным производством. Однако смыв удобрений с полей, а также поступление в водоемы фосфатов с продуктами жизнедеятельности животных и человека могут приводить к перенасыщению водных экосистем фосфатами и нарушению в них экологического равновесия.
Круговорот серы. Сера имеет важное биологическое значение, так как она входит в состав аминокислот, белков и других сложных органических соединений. В пересчете на сухое вещество в наземных растениях содержание серы составляет 0,3%, у наземных животных – 0,5, в морских растениях – 1,2, у морских животных – до 2%.
В большом, геологическом, круговороте (рис. 31) сера переносится с океана на материки атмосферными осадками и возвращается с речным стоком обратно в Мировой океан. Одновременно ее запасы пополняются за счет вулканической деятельности и при процессах выветривания. Вулканы выбрасывают серу в виде триоксида (серного ангидрида SO3), диоксида (сернистого газа SO2), сероводорода Н2S и элементарной серы.
В литосфере имеются в большом количестве сульфиды различных металлов: железа, цинка, свинца, меди и др. В биосфере сульфидная сера с участием многочисленных микроорганизмов окисляется до сульфатной серы SO4-2, которая находится в почве и водоемах. В малом круговороте сульфаты поглощаются растениями. Растительноядные животные получают необходимую для жизнедеятельности серу. В результате сложных превращений и видоизменений при разрушении остатков организмов, растительногоопада сера попадает в почвенные воды и в илы водоемов суши, морей и океанов. При разрушении белков с участием микроорганизмов образуется сероводород (рис. 32), который в дальнейшем окисляется или до элементарной серы, или до сульфатов. В первом случае формируются залежи чистой серы, а во втором – залежи гипса. При разрушении последних во время добычи или выветривания сера вновь вовлекается в круговорот.
Сероводородное заражение вод Черного моря – это результат жизнедеятельности сероразлагающих бактерий в анаэробных условиях. Сероводород нередко возникает в пресноводных водоемах, загрязненных промышленными стоками. На заключительном этапе геологического круговорота сера выпадает в осадок в анаэробных условиях в присутствии железа и других металлов и медленно накапливается в виде конкреций или тонкораспыленного вещества в земных недрах.
Промышленное загрязнение приводит к нарушению круговорота серы, так же как и других вышеперечисленных элементов, участвующих в других круговоротах. Дополнительным поставщиком серы в большой круговорот являются теплоэнергетические установки, которые при сжигании минерального топлива выбрасывают сернистый газ.
Атмосфера Земли способна самоочищаться от сернистого ангидрида при выпадении атмосферных осадков: он преобразуется газовыми выделениями растительности или осаждается в форме сульфатных аэрозолей (рис. 33).
Экологическая опасность сернистого ангидрида заключается в том, что при фотохимическом окислении в присутствии диоксида азота и углеводородов сначала образуется серный ангидрид SO3, который, соединяясь с водяными парами, превращается в аэрозоли серной кислоты Н2SO4. Продолжительность всего цикла от момента естественных или техногенных выбросов SO2 до удаления из атмосферы паров серной кислоты составляет до 14 суток. С воздушными потоками аэрозоли серной кислоты разносятся на значительные расстояния от источника выброса и выпадают в виде кислотных дождей (рис. 34).
131.Эволюция биосферы. Учение академика В.И. Вернадского. Ноосфера.
Особое место в трудах В. И. Вернадского занимает концепция эволюции биосферы. Основная идея заключается в том, что биосфера формировалась под воздействием живых организмов. Начиная же с момента возникновения жизни происходит постоянный процесс эволюции живых существ: возникают многочисленные новые виды, осуществляется смена видов на нашей планете. Естественно, изменения затрагивают и саму биосферу.
На начальных этапах развития существовали гетеротрофные анаэробные организмы, существующие в Мировом океане за счет органических веществ, возникших в результате сложных химических процессов. Затем (по мере уменьшения запасов органических веществ) появляются автотрофные организмы, способные сами создавать органические вещества, используя энергию солнечного света. В результате их жизнедеятельности (фотосинтеза) в атмосферу стал выделяться кислород. Это стало предпосылкой появления аэробных организмов. Усложнение живого, увеличение его разнообразия приводили к изменению биосферы. Следовательно, эволюция биосферы сопряжена с эволюцией форм жизни на нашей планете.
В. И. Вернадский выделял три этапа развития биосферы:
1. Первый этап— возникновение жизни и первичной биосферы. Ведущие факторы здесь — геохимические и климатические изменения на Земле.
2. Второй этап— усложнение структуры биосферы в результате появления многочисленных и разнообразных эукариотных организмов — как одноклеточных, так и многоклеточных. Движущим фактором выступает биологическая эволюция.
3. Третий этап— возникновение человека, человеческого общества и постепенное превращение биосферы в ноосферу.
В структуре биосферы Вернадский выделял семь видов вещества:
1. живое;
2. биогенное (возникшее из живого или подвергшееся переработке);
3. косное (абиотическое, образованное вне жизни);
4. биокосное (возникшее на стыке живого и неживого; к биокосному, по Вернадскому, относится почва);
5. вещество в стадии радиоактивного распада;
6. рассеянные атомы;
7. вещество космического происхождения.
В. И. Вернадский рассматривал различные гипотезы панспермии в историческом контексте, он пришёл к заключению лишь об извечности жизни в течение геологического времени [18]. Методы и подходы кристаллографии Вернадский рас