Круговорот веществ в природе

Круговорот веществ в природе обеспечивает возможность жизни как таковой, ибо за счет него становится возможным удаление вещества из системы или него поступление в систему, при этом данная система может длительное время находиться в равновесном состоянии.

Биогенные элементы

Часть земной оболочки, занятая растительными и животными организмами образует биосферу. В процессе деятельности живых организмов в биосфере образуются минералы и различные природные вещества. Для полноценного функционирования биосферы и поддержания непрерывности ее процессов, внутри нее должны постоянно осуществляться обмены биогенных веществ, все элементы которых важны для жизни как таковой. В организмы живых существ входят те же составляющие, что и в воздух, воду, почву и минералы. Известно около 90 химических элементов в составе земной коры. В составе живых организмов обнаружено около 70 химических элементов периодической системы. Отличие только в том, что молекулы неживой природы просты и однотипны, а живые организмы состоят из множества атомов разных типов. Химические элементы, находящиеся в живом организме и обладающие выраженной биологической ролью – называются биогенными элементами.

Биогенные элементы — это химические элементы, постоянно входящие в состав организмов и необходимые им для жизнедеятельности. В живых клетках обычно обнаруживаются следы почти всех химич. элементов, присутствующих в окружающей среде, однако для жизни необходимы около 20.

Важнейшие биогенные элементы — кислород (составляет ок. 70% массы организмов), углерод (18%), водород (10%), азот, кальций, калий, фосфор, магний, сера, хлор, натрий.

Возникновение круговоротов

Биологическая активность живого вещества и энергия излучения Солнца выступают движущими силами этого процесса. Они перераспределяют, концентрируют и перемещают огромное количество жизненно необходимых веществ между растениями, их корневыми системами и всеми существами на планете.

Движение вещества происходит во внутренних оболочках земли, их подъём в результате восходящих тектонических движений и вулканизма, перенос веществ по горизонтали во внешних оболочках и аккумуляция, погружение в результате нисходящих тектонических движений. На большой глубине происходит метаморфизм, плавление вещества с образованием магмы и метаморфических горных пород.

Структура природного цикла

Вся жизнь на нашей планете следует законам глобального круговорота веществ, который можно разделить на две основные составляющие. Они отличаются характером и механизмом происходящих в них процессах. Различают два основных цикла:

  1. Большой (геологический)
  2. Малый (биогеохимический)

Рассмотрим их подробнее:

Геологический круговорот

Этот вид также называют круговоротом воды в природе, где жидкость постоянно циркулирует между сушей и океаном. Основополагающую роль в создании географической оболочки нашей планеты играет круговорот воды.

Вода является наиболее распространенным и очень важным химическим соединением, поэтому круговорот веществ в природе мы самым подробным образом рассмотрим на примере круговорота воды. Дополнительно отметим, что вода фактически формирует все биогеохимические циклы в природе, она содержится во всех компонентах биосферы — в атмосфере, гидросфере, литосфере и в составе всех организмов. При потере организмом 10% воды наступает его самоотравление. Нагревание воды, ее испарение и конденсация представляют собой вторую после фотосинтеза форму накопления и перераспределения солнечной энергии на Земле и в биосфере.

Круговорот воды условно начинается с поступления ее на поверхность Земли в виде осадков (дождя или снега), которые образуются в результате конденсации паров воды, возникших за счет испарения воды растениями, животными, а также поверхностью водоемов. «Осадочная» вода пополняет воды водоемов, попадает в растения и в организмы животных, вновь подвергается испарению. Другая часть осадков проникает в подземные воды за счет процессов фильтрации, со стоками рек вода поступает в Мировой океан. Количество испаряемой воды зависит от местных условий. Так, с единицы поверхности Земли, занятой лесом, испаряется больше воды, чем с такой же поверхности океана. Количество осадков зависит от географической зоны, от широты и долготы местности, от высоты над уровнем моря и времени года. Ветрами облака, представляющие собой водный туман, переносятся с одного участка планеты на другой.

Уменьшение площади растительного покрова приводит к уменьшению процессов транспирации (испарения) воды на участках суши, что в свою очередь снижает количество осадков на данной территории. Вода участвует в круговороте веществ и через ее вхождение в состав организмов, и через выделение в окружающую среду после гибели этих организмов. Попадая в состав осадочных пород в составе неразложившегося вещества, вода удаляется из круговорота на длительное геологическое время, когда эти вещества могут оказаться на поверхности и за счет горообразовательных процессов подвергнуться превращениям. Благодаря круговороту воды реализуется частично круговорот двух важнейших химических элементов — водорода и кислорода. Велика роль воды и как реагента в процессах фотосинтеза, что является одной из составных частей процессов круговорота воды.

Мировой баланс воды в историко-геологическом масштабе достаточно постоянен, а отдельно взятые локальные водные балансы (для конкретного региона) могут значительно колебаться. В геологическом масштабе времени обнаружены частые нарушения равновесия баланса океанических и континентальных вод, с чем связаны значительные изменения климата планеты. В режиме континентального увлажнения существует цикл 1800-2000 лет. В настоящее время (по мнению ряда ученых) планета находится в переходном состоянии от очень влажной континентальной фазы к более сухой, что предполагает тенденцию передачи воды от континентов океану. Наблюдения последних 80 лет показывают, что уровень океанических вод ежегодно увеличивается на 1,2 мм.

Велика роль воды в жизнедеятельности человека, который является и водопользователем, и водопотребителем.

Водопользование — это такое использование воды, при котором она остается в водоемах (например, как транспортное средство — речной и морской транспорт, лесосплав; как механический источник энергии — гидроэнергетика).

Водопотребление — использование воды, при котором она извлекается из водоемов. Им является применение воды в сельском и жилищно-коммунальном хозяйстве, различных отраслях промышленности, атомной и теплоэнергетике. В процессе водопотребления образуются сточные воды, которые без должной очистки загрязняют природные воды. Водопользование также сопровождается загрязнением природных вод за счет попадания в них разных соединений, используемых в водном транспорте, и отходов транспорта и гидроэнергетики.

Водопотребление требует пресной воды определенного качества. Большую роль для человека играет питьевая вода, к свойствам которой предъявляются особые требования, поэтому природные воды подвергаются специальной водоподготовке. На Земле пресные воды составляют 2% от общих запасов воды (1,5 х 109 км3 — общий запас воды), а в доступной для использования человеком форме — только 0,01% от общих запасов воды на планете.

Нерациональное использование воды, ее загрязнение за счет неправильного водопользования и нарушение круговорота воды грозит человечеству экологической катастрофой.

Нарушение человеком естественных процессов круговорота воды связано с уничтожением лесов, ростом городов, интенсивной ирригацией и мелиорацией, увеличением пыли и газов, загрязняющих воздух и вызывающих различные эффекты (тепличный, похолодания и др.), тепловое и другие виды физических загрязнений.

Малый круговорот

Он представляет собой обмен полезными веществами в пределах всей биосферы Земли с компонентами веществ из литосферы, атмосферы и гидросферы. Малый круговорот — биотический, часть большого круговорота, происходит на уровне биоценоза (неорганические вещества участвуют в образовании органических), представляет собой перенос вещества по трофическим (пищевым) цепочкам. В нем участвуют:

  • Продуценты
  • Консументы
  • Редуценты

Продуценты преобразуют простые неорганические вещества в сложные органические соединения. Консументы модифицируют или производят еще более более сложные соединения. Редуценты выделяют биологические вещества, которые разлагают сложную органику и освобожденные вещества опять включаются в оборот.

Круговорот кислорода. Этот необходимый для жизни газ содержится в атмосфере, вырабатывается растениями в результате фотосинтеза. Из воздуха кислород поступает через дыхательные пути в организм живых существ, освобождается и снова поступает в атмосферу.

Круговорот азота. Азотные соединения выделяются при распаде веществ, впитываются в почву, поступают в растения, а затем выделяются из них в виде аммиака или ионов аммония.

Рассмотрим более подробно малый круговорот на примере углерода. Продуценты улавливают углекислый газ из атмосферы и переводят его в органические вещества, консументы поглощают углерод в виде органических веществ с телами продуцентов и консументов низших порядков, редуценты минерализуют органические вещества и возвращают углерод в атмосферу в виде углекислого газа. В Мировом океане круговорот углерода усложнен тем, что часть углерода, содержащегося в мертвых организмах, опускается на дно и накапливается в осадочных породах. Эта часть углерода выключается из биологического круговорота и поступает в геологический круговорот веществ.

Основные отличия круговоротов

Большой круговорот — это круговорот воды между сушей и океаном через атмосферу. Влага, испарившаяся с поверхности Мирового океана (на что затрачивается почти половина поступающей к поверхности Земли солнечной энергии), переносится на сушу, где выпадает в виде осадков, которые вновь возвращаются в океан в виде поверхностного и подземного стока.

Большой круговорот обусловлен солнечной энергией, он обеспечивает перераспределение вещества между биосферой и глубокими горизонтами Земли. Горные породы, неорганические вещества, все переносится водой, но процессы длятся миллионы лет. Горные породы подвергаются разрушению, выветриванию, а продукты выветривания, в том числе растворимые в воде питательные вещества, сносятся потоками воды в Мировой океан. Границы геологического круговорота значительно шире границ биосферы и в его процессах живые организмы играют второстепенную роль. Тепло земли и радиация солнца — основные двигатели геологического круговорота.

Малый круговорот веществ в биосфере, в отличие от большого, совершается лишь в пределах биосферы. Сущность его в образовании живого вещества из неорганических соединений в процессе фотосинтеза и в превращении органического вещества при разложении вновь в неорганические соединения. Этот круговорот для жизни биосферы — главный, и он сам является порождением жизни.

Круговорот того или иного химического вещества из неорганической среды через растительные и животные организмы и обратно в неорганическую среду с использованием энергии Солнца и химических реакций называется биогеохимическим циклом. Биохимический цикл является частью биологического круговорота.

Изменяясь, рождаясь и умирая, живое вещество поддерживает жизнь на нашей планете, обеспечивая биогеохимический круговорот веществ. Главным источником энергии малого круговорота является солнечная радиация, которая порождает фотосинтез.

Влияние человека

Человек, как часть биосистемы, непосредственно втянут в круговорот веществ. Однако нам все труднее соблюдать баланс и обеспечивать невмешательство в основные природные процессы. Бесконтрольно тратя ресурсы планеты, заполняя трудноразлагаемыми отходами ее атмосферу и биосферу, человек неблагоприятно влияет на естественный круговорот. В первую очередь, таким отношением, человечество наносит вред самому себе. Так, излишки азотных удобрений, которыми люди щедро удобряют почву для повышения урожайности, впитываются в глубокие слои почвы и смываются дождями с полей, попадая в реки и озера и далее в Мировой океан. Так или иначе, нитраты попадают в организм человека через пищу и воду, вызывая рак и другие нарушения в процессах жизнедеятельности.

Важно осознавать, что все процессы на Земле взаимосвязаны. Для гармоничного и непрерывного развития нужно поддерживать баланс веществ в природе, своевременно решать возникающие экологические проблемы, учитывать особенности естественного круговорота.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован.