Понятие биологического круговорота веществ
Ввиду того, что живые системы Земли являются открытыми термодинамическими системами, которые связаны друг с другом потоками энергии и вещества, выделение и изучение любой живой системы без ее взаимосвязи с другими системами невозможно. Идеи целостного подхода к изучению природы в ХХ веке стали шире проникать в науку, в результате чего появилась комплексная дисциплина – экология.
В непрерывном осуществлении потока энергии и круговорота веществ между живыми и неживыми компонентами биосферы заключается необходимое условие существования всех форм жизни на Земле.
Круговороты отдельных веществ, которые реализуются при участии живых организмов, называются биохимическими циклами.
Биохимические циклы объединяются в биологический круговорот веществ, который является основой долгого существования биосферы.
Планета Земля является относительно небольшим небесным телом. Запас минеральных элементов, которые необходимы для существования живого, является ограниченным. Поэтому единственным способом придания ограниченному количеству свойства бесконечности – заставить его вращаться по замкнутому кругу. Зеленые растения образуют органическое вещество, а не зелёные растения его разрушают. В результате распада органического вещества образуются минеральные соединения, из которых новые зеленые растения создают органическое вещество. Такой процесс повторяется бесконечно.
Каждый вид является звеном в биологическом круговороте веществ. Процессы синтеза и распада обеспечивают непрерывность жизни, а каждый организм отдает то, чем пользуются другие организмы.
Процесс биологического круговорота веществ
Начало это круговорота заключается в превращении солнечной энергии и синтезе из неорганических веществ органических. Большую роль в этом круговороте играют микроорганизмы, которые останки животных и растений превращают в минеральные соли и простые соединения, они в свою очередь вновь используются живыми растениями для синтеза новых органических веществ.
В биологическом круговороте веществ участвуют все живые организмы. Саморегуляция биосферы основана на биологическом круговороте веществ.
Любой биологический круговорот представляет собой единство двух процессов:
- органической фазы, которая заключается в аккумуляции в живых организмах химических элементов
- неорганической фазы, в которой происходит минерализация в ходе разложения мертвых организмов.
Переход атомов из одной фазы в другую происходит многократно. Это процесс называется биогенной миграцией атомов.
Биогеохимические циклы меняются во времени. это означает, что при циклических превращениях полного повторения не происходит, появляются изменения в количестве и составе веществ. Формирование современного биологического круговорота веществ произошло в ходе длительной биологической и геологической эволюции.
Примерно 5 миллиардов лет назад произошло разделение вещества Земли на ряд оболочек – атмосферу, земную кору, гидросферу и т.д., которые отличаются друг от друга химическим составом, термодинамическими и физическими свойствами.
Между всеми оболочками – геосферами – и внутри каждой отдельно взятой происходил обмен веществом. Существенную роль вначале играл процесс выноса веществ из недр Земли на поверхность в результате дегазации и выплавления. Эта стадия была обширной еще в архейскую эру. В это время происходили интенсивные колебания в земной коре, обширные процессы горообразования, которые создали складчатость, энергичная вулканическая деятельность, в результате которой появились мощные базальтовые слои. Широко были распространены интрузии и процессы гранитизации. В эпоху архея на поверхность Земли выносились вещества в больших количествах и из более глубоких областей.
В дальнейшем обмен веществ между поверхностью Земли и глубокими областями уменьшился. В конце докембрийского периода спокойные области земной коры – платформы и области интенсивной магматической и тектонической деятельности – геосинклинали, обособились. Со временем геосинклинальные области сужались, а платформы росли.
На современном этапе процесс обмена веществом между геосферами можно наблюдать в пределах 10-20 (местами 50-60) километров от поверхности Земли. Однако этот процесс в общем круговороте веществ на Земле в настоящее время не имеет существенного значения. С геологической точки зрения наиболее интенсивным является круговорот на поверхности Земли, в пределах биосферы.
Круговорот веществ на Земле со времени появления жизни изменился.
К физико-химическим преобразованиям добавились биогенные процессы. Деятельность человека стала крупной геологической силой.
Емкость биологического круговорота веществ
Для того, чтобы оценить интенсивность и емкость биологического круговорота веществ в биосфере, необходимо рассмотреть несколько величин, которые характеризуют планету.
Специалисты считают, что масса земной коры составляет 2 ∙ 10 в 19 степени т. Биомасса всех живых организмов, которые составляют живое вещество, составляет 2,42 ∙ 10 в 12 степени т. То есть масса биотического компонента биосферы практически в 10 миллионов раз меньше массы земной коры. Масса ежегодной чистой первичной продукции – масса синтезированного за год всеми автотрофами органического вещества составляет 2,32 ∙ 10 в 11 степени т. То есть ежегодно в органическую фазу биологического процесса поступает одна стомиллионная часть массы земной коры. Суммарная биомасса живого вещества является достаточно стабильной величиной в течение миллиарда лет. Это происходит благодаря тому, что гетеротрофы-деструкторы органики ежегодно в неорганическую фазу круговорота выводится масса вещества, эквивалентная ежегодной чистой первичной продукции. Таким образом, за 12,5 лет происходит полное обновление биомассы живого вещества, а суммарная первичная продукция должна быть равной примерно 2 ∙ 10 в 20 степени т., что превышает массу земной коры в десять раз. Таким образом, несмотря на относительно небольшую емкость биологического круговорота веществ, в результате его высокой интенсивности каждый атом мог десятикратно пройти полный цикл вещества.
