Время пребывания элемента, оценка интенсивности кругооборота вещества

Повсеместно в биосфере наряду с образованием живого вещества и аккумуляцией энергии протекает и противоположный процесс – превращение сложных органических соединений в простые минеральные CO2, H2O, NH3 и т.д. Эта минерализация идет и в самих растениях, которые при дыхании окисляют органические вещества до CO2 и H2O. Гораздо энергичнее минерализуют органические вещества животные и еще более энергично – микроорганизмы.

Противоположные процессы образования и разрушения органических веществ в биосфере не могут существовать один без другого, они образуют единый биологический круговорот атомов. Рассмотрим этот круговорот с точки зрения трех известных нам критериев: превращения вещества, энергии, накопления информации.

Продолжительность отдельных циклов биологического круговорота атомов очень различна. Немногие недели живут растения-эфемеры, образующие весной пышный ковер в пустынях Средней Азии. И за это время они успевают накопить органическое вещество, которое в начале лета, после их смерти, в почве быстро разлагается до исходных продуктов – CO2, H2O и т.д. Но уже в лесном ландшафте часть атомов углерода, заключенных в древесине, окислится до CO2 только после смерти деревьев, т.е. через десятки или сотни лет. Наконец, если органическое вещество будет захоронено в осадочных породах и превратится в уголь, окисление которого произойдет только через несколько геологических периодов, круговорот углерода растянется на миллионы лет.

При рассмотрении химических процессов в ландшафтах и биосфере в целом с позиций миграции атомов химических элементов можно установить их цикличность и значительную роль живого вещества в них.

Такие циклические химические процессы в биосфере и в природно-территориальных комплексах получили название биогеохимических круговоротов.

Основными химическими элементами, участвующими в биогеохимических круговоротах, являются: водород, кислород, углерод, азот, кальций, калий, кремний, фосфор, сера, стронций, барий, железо, марганец, цинк, молибден, медь и никель.

Биогеохимические круговороты элементов в биосфере не являются замкнутыми. Степень воспроизводства отдельных циклов достигает 90–98% . В масштабе геологического времени неполная замкнутость биогеохимических циклов приводит к дифференциации элементов и накоплению их в атмосфере, гидросфере и метабиосфере (кора выветривания, осадочные породы Земли).

Непрерывному круговороту в биосфере подвергаются только вещества, в то время как для энергии можно говорить лишь о направленном потоке.Поступающая в биосферу солнечная энергия частично расходуется на синтез органического вещества растений: фотоавтотрофные организмы (растения), поглощая солнечную энергию, путем фотосинтеза превращают низкомолекулярные, бедные энергией неорганические вещества в высокомолекулярные, богатые энергией органические соединения и снабжают ими все живое. Передаваясь затем с одного трофического (пищевого) уровня на другой, энергия постепенно рассеивается.

Часто биогеохимический круговорот сравнивают с колесом водяной мельницы - колесо ее вертится и вертится, оставаясь на месте, и символизирует запас вещества в биосфере. Однако для того, чтобы колесо вертелось, нужен постоянный приток воды. Поток солнечной энергии, поступающий из Космоса в биосферу, вращает "колесо жизни" на Земле.

Биогеохимический круговорот включает два одновременно протекающих, взаимообусловленных круговорота:

биологический,протекающий в среде живого вещества фотоавтотрофов (зеленые растения) и гетеротрофов (животные, насекомые, микроорганизмы);

геохимический (геологический),проходящий через другие структурные единицы ландшафтов и биосферы (литомассы, педомассы, гидромассы, аэромассы).

Геохимический круговорот связан с образованием устойчивых в условиях конкретных природно-территориальных комплексов химических соединений. При этом часть химических элементов изымается из круговорота и «захоранивается» в биосфере на длительное время (от сотен до миллионов лет).

Биологические круговороты протекают с большими скоростями. Так, вся масса живого вещества биосферы обновляется полностью за 8 лет. Для Мирового океана скорость обмена живого вещества составляет всего 33 дня. Процесс полной смены вод в гидросфере составляет 2800 лет, в атмосфере смена кислорода происходит за несколько тысяч лет, углекислого газа - за 6.3 года. Эти цифры показывают, что геохимическая деятельность живого вещества в биологических круговоротах проявляется не только в течение геологического времени (миллионы и миллиарды лет), но ясно выражена и в пределах исторического времени (тысячи лет и менее).

В пределах ландшафтов биогеохимические круговороты обычно характеризуются значительной незамкнутостью за счет постоянного выноса или привноса вещества воздушными, водными и биологическими миграционными потоками.

Самым главным биогеохимическим процессом в биосфере, определяющим во многом протекание химических процессов в ландшафтах, является биогеохимический цикл углерода. С чисто химических позиций он представляется упрощенно в виде следующих уравнений:

фотосинтез: 6 CO2 + 6 H2O ÞC6H12O6 + 6 O2

разложение (минерализация) :

C6H12O6 + 6 O2 Þ6 CO2 + 6 H2O

Образующиеся в процессе фотосинтеза молекулы углеводов в ходе дальнейших химических процессов, происходящих в растениях, превращаются в другие химические соединения живой материи – белки, жиры и т.д.

Процесс фотосинтеза требует затрат энергии – на образование 1 молекулы С6Н12О6 (глюкозы) расходуется 674 кал. Эту энергию растения получают в виде электромагнитной энергии солнечного излучения, акцептором (поглотителем) ее является зеленый пигмент растений – хлорофилл.

В результате процесса фотосинтеза электромагнитная энергия трансформируется в химическую энергию образующихся соединений. Исходные вещества для фотосинтеза - вода и углекислый газ, достаточно нейтральные, малоактивные химические соединения. Фотосинтез разделяет их смесь на два чрезвычайно активных в химическом плане вещества – сильный окислитель (кислород) и сильный восстановитель (органические вещества).

Свободный кислород, по словам В.И.Вернадского, является самым могучим химическим деятелем на Земле. Соединяясь с одними элементами, он ускоряет их миграцию, переводя их в растворимое состояние. При соединении с другими элементами, кислород замедляет их миграцию, переводя их в малорастворимую высшую форму окисления.

Обратная фотосинтезу реакция разложения (минерализации) органических соединений в условиях биосферы приводит к неполному расходованию образовавшегося при фотосинтезе кислорода. Часть органического углерода сохраняется в виде устойчивых соединений - гумусовых кислот, из которых в процессах дальнейшей трансформации формируются залежи твердых горючих ископаемых (торф, уголь). Неполное разложение образующегося органического вещества - источник накопления в биосфере кислорода.

Сам процесс минерализации органического вещества приводит к выделению химической энергии, носителем которой являются природные воды ландшафта. Обогащаясь продуктами разложения органического вещества (СО2, NH3, SO42-, H2S, гумусовые и низкомолекулярные органические кислоты), такие воды становятся химически высокоактивными, они разрушают ("выветривают") горные породы, вовлекая в биогеохимический круговорот атомы косной, неживой материи.