Биосфера (стр. 3 из 3)
Если бы углекислый газ пополнялся за счет поступления с Земли, то его запасы исчерпались бы за 4-35 лет.
В ближайшие 50-60 лет благодаря увеличению сгорания горючих веществ содержание углекислого газа в атмосфере удвоится. Такие быстрые изменения содержания углекислого газа в атмосфере, вследствие которого происходит так называемый парниковый эффект (нагревание атмосферы инфракрасными лучами, благодаря содержанию в ней СО2), может привести к перегреву географической оболочки. Часть СО2 появляется при извержении вулканов и поступает из обогащенных или водных источников. Главный потребитель СО2 – фотосинтетический аппарат растений (рис. ).
Следует напомнить, что проявление фотосинтеза, которое является главным компонентом движения вещества и энергии в биосфере, стало известно только во второй половине 18 века. В 1772-1782 гг. Д.Пристли, Я. Ингенхауз и Ж. Сеисбье, дополняя друг друга, описали процесс воздушного углеродного поглощения, или фотосинтеза. Через столетие К.А.Тимирязев (1843-1920) раскрыл энергетическую закономерность фотосинтеза как процесса использования света для образования органического вещества в растениях. Механизм фотосинтеза был раскрыт американским биохимиком Кальвином, за что ему была присвоена Нобелевская премия. Сегодня под фотосинтезом понимают превращение зелеными растениями и фотосинтезирующими организмами лучистой энергии Солнца. Процесс фотосинтеза происходит при участии поглощающих свет пигментов (кислород и др.).
Попадая в клетку зеленого листа углекислый газ присоединяется к акцептору, с которым продолжает дальнейшие движения и превращения. Благодаря ферменту альдолязы образуется простой сахар – глюкоза, а из него – сахароза и крахмал. Часть синтезированного вещества в этом процессе переходит снова в акцептор – так образуется саморегулированный цикличный процесс. Далее с участием других ферментов сахара превращаются в белки, жиры и другие органические вещества, необходимые для жизни растений.
Основа реакции фотосинтеза имеет такой вид: 6СО2+6Н2О+
С6Н12О6+6О2+, СО2+Н2О+ СН2О+О2.За год растения суши и океана усваивают почти 51010 т углерода, разлагают 1,31011 т воды, выделяют 1,21011 т молекулярного кислорода и запасают 41017 ккал энергии продуктов фотосинтеза, что в 100 раз превышает производство энергии всеми электростанциями мира.
Годовой круговорот массы СО2 на суше определяется как массой складывающих его звеньев биосферы, так и количеством, которое захватывает каждое звено (т/год):
Суммарный захват фотосинтезом 60109
Возвращение от дыхания 48109
Поступления в гумосферу и консервация в многогодовых
фитоценозах 10109
Захоронение в осадочной толще литосферы, включая реакцию СО2 1109
Поступление от сгорания топлива 9109
В гидросфере круговорот СО2 значительно сложнее, чем на суше. Решительную роль тут играет Мировой океан, который аккумулирует вынесенный реками с суши углерод в форме карбонатных и органических соединений. Возвращение углерода с океана или суши происходит с большим дефицитом, главным образом, воздушными потоками в виде СО2. Наличие углекислого газа в гидросфере зависит от поступления кислорода в верхние слои как из атмосферы, так и из нижних слоев воды. В общем выражении годовой круговорот массы углерода в Мировом океане почти вдвое меньше, чем на суше:
Суммарный захват в процессе фотосинтеза 30109
Возврат в водную среду от дыхания и распада
органического вещества 26109
Выпадение в донный осадок 1,5109
Поступление из атмосферы от сгорания топлива 1109
То же с речным стоком 0,6109
Переход в растворе органического соединения 10,9109
Много углерода изымается с биологического круговорота вещества и попадает в океан в виде углекислых солей. Эти соли, особенно САСО3, тратятся на построение панцирей животных, очень много их и в морской воде. Если в атмосфере возрастает содержание СО2, часть его растворяется в воде, вступает в реакцию с карбонатом кальция, образуя растворенный в воде бикарбонат кальция. И, наоборот, при снижении содержания углекислого газа в атмосфере бикарбонаты, которые всегда содержаться в морской воде, превращаются в карбонаты кальция, которые выпадают с раствора, используются организмами для построения скелетов или панцирей, оседают на морское дно. Реакция имеет такой вид: Са(НСО3)2=СаСО3+Н2О+СО2.
Суммарное количество углекислого газа на планете составляет не меньше 2,31012 т, тогда как содержание его в Мировом океане оценивает в 1,31012 т. В литосфере в связанном состоянии находится 21017 т углекислого газа. В живом веществе биосферы содержится около 1,51017 т (почти столько, сколько во всей атмосфере). Углекислый газ атмосферы и гидросферы обменивается и обрабатывается живыми организмами за 300 лет (рис.)
3.2. Круговорот азота
Азот, который является олицетворением белковой жизни в биосфере в основном сосредоточенный в атмосфере, где его часть составляет около 78%. То есть на 1 га поверхности Земли приходится толща воздуха с приблизительно 80 тыс. т азота. Однако в таком виде он недоступен растениям. В круговороте соединений азота очень большое значение отводится микроорганизмам и азотофиксаторам. Только благодаря им элементарный азот с воздуха поступает в почву.
Наибольшую роль в этих процессах играют пузырчатые бактерии, которые тесно сотрудничают с бобовыми растениями. При высоком урожае этих растений можно обогатить почву около 400 кг азота на 1 га. Если даже урожай этих растений будет вывезен с поля, значительная часть азота останется с корнями в почве.
Количество азота, свзанного биологическим круговоротом, является неодинаковым в разных экосистемах. Например, на пропаханной земле – 7-28 кг/га за год, на сенокосах с участием злаковых трав и бобовых – 73-865, а в лесах – 58-594 кг/га за год. Подобным образом некоторые лишайники фиксируют азот при помощи симбиотических сине-зеленых водорослей.
Известно, что Ю. Либих (1843) сформулировал утверждение, согласно которому растения могут полностью обеспечить свои потребности азотом, который поступает в землю вместе с атмосфреными осадками (27 кг/га). Однако уже через несколько лет В.И. Лавес и И.Г. Гильберт, изучив баланс азота в плодоношении, доказали, что дополнительный внос азота в почву является необходимым, что признал и сам Ю. Либих.
Возникновение в атмосфере окисей азота связано с газовыми электрическими разрядами. Окиси азота образуют с водой азотную и азотистую кислоту: N2+O22NO, 2NO+O22NO2, 2NO2+H2OHNO2+HNO3.
Эти кислоты вместе с атмосферными осадками попадают в почву. Количество азота, которое она получает, является очень разным и зависит, прежде всего, от климатических условий, особенно от количества и частоты осадков, времен года, температуры и др. В умеренном климате это количество составляет несколько килограммов за год, а в тропическом, где наблюдается частые бури, его значительно больше, но в среднем не более 10 кг.
В атмосферу азот в определенных количествах поступает с почв. Это происходит с участием микроорганизмов во время минерализации органической материи, когда в процессе аммонификации выделяется аммиак. Биологическая фиксация молекулярного азота микроорганизмами, как теми, что свободно передвигаются, так и симбионтами (пузырчатыми), происходит в автотрофном и гетеротрофном блоках биогеоценозов. Для круговорота азота необходимыми является молибден, который в отдельных случаях выступает как лимитирующий фактор. Несмотря на огромные запасы этого элемента в атмосфере и в осадочной оболочке литосферы, в круговороте принимает участие только фиксированный микроорганизмами азот.
К этой категории азота обменного фонда входят: а) азот годовой продукции биомассы; б) азот биологической фиксации бактериями и другими организмами; в) вулканический азот; г) атмосферный (фиксированный в момент грозового разряда); д) техногенный.
В большой круговорот в се время поступает часть азота в виде разных соединений, которые реками выносятся в моря. Содержание соединений азота наибольшей в районах, где в океан впадают большие реки, наименьший – в центральных частях океанов. Азотосодержащие соединения используются водорослями для синтеза органических веществ и поступает в круговорот океана, часть постепенно оседает на дно. То есть вынос азота на суше не увеличивает его концентрации в морской воде.
Граница азота, связанного в биомассе суши, составляет 14020 млн. т, а в зольных элементах – 34062 млн. т азота и 2762 млн. т зольных элементов. В биомассе Мирового океана этих элементов в 1000 раз меньше. Однако, благодаря многоразовому воспроизводству организмов планктона через них на протяжении года проходит азота и зольных элементов больше, чем на суше: азота – 2762 млн. т, зольных элементов – 12274 млн. т.
Если рассматривать круговорот азота в масштабах биосферы, то благодаря саморегулирующим механизмам и обратной связи он считается достаточно идеальным (рис. ). Часть азота, который производится в густонаселенных районах, в пресной воде и мелководных морях, выносится в глубоководные океанические отложения и остается там, исключаясь на миллионы лет с круговорота. Эти потери компенсируются поступлением азота в воздух с вулканическими газами.
3.3 Круговорот кислорода и водорода
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, во время дыхания (из атмосферы или водного раствора) и потребления питьевой воды. как конечные продукты биологического круговорота, водород и часть кислорода возвращается в неживую среду так же в виде воды, а кислород, кроме того, выделяется в молекулярной форме в атмосферу растениями-продуцентами как один из конечных продуктов фотосинтеза.