Круговороты веществ. 
Экология

До возникновения биосферы на Земле были три круговорота веществ: минеральный круговорот — перемещение магматических продуктов из глубин на поверхность и обратно; газовый круговорот — циркуляция воздушных масс, периодически разогреваемых Солнцем, круговорот воды — испарение воды и перенос ее воздушными массами, выпадение осадков (дождь, снег). Эти три круговорота объединяют единым термином — геологический (абиотический) круговорот. С появлением жизни к газовому, минеральному и водному круговоротам добавился биотический (биогенный) круговорот — круговорот химических элементов, осуществляемый жизнедеятельностью организмов. Вместе с геологическим образовался единый биогеохимический круговорот веществ на Земле.

Геологический круговорот.

Около половины достигающей поверхности Земли солнечной энергии расходуется на испарение воды, выветривание горных пород, растворение минералов, перемещение воздушных масс и вместе с ними паров воды, пыли, твердых частиц выветривания.

Движение воды и ветра приводит к эрозии почв, перемещению, перераспределению и накоплению механических и химических осадков в гидросфере и литосфере. Данный круговорот происходит и в настоящее время.

Большой интерес представляет круговорот воды. Из гидросферы за один год испаряется примерно 3,8 • 10¹⁴ т воды, а возвращается с осадками в водную оболочку Земли только 3,4 • 10¹⁴ т воды. Недостающая часть выпадает на сушу. Всего осадков на сушу выпадает около 1 • 10¹⁴ т, а испаряется примерно 0,6 • 10¹⁴ т воды. Излишки воды, образующиеся в литосфере, стекают в озера и реки, а затем в Мировой океан (рис. 2.4). Поверхностный сток равен примерно 0,2 • 10¹⁴ т, оставшиеся 0,2 • 10¹⁴ т воды поступают в подпочвенные водоносные горизонты, откуда вода поступает в реки, озера и океан, а также пополняет резервуары грунтовых вод [57, с. 107|.

Рис. 2.4. Круговорот воды в биосфере [19, с. 107 (с изменениями)].

Появление жизни на нашей планете усложнило круговорот воды, так как добавился процесс биологического испарения воды, связанный с жизнедеятельностью живых организмов и называемый транспирацией. Так, во влажном тропическом лесу масса воды, испаряемая растениями, достигает 7 — 10³ т/(км² • год). В саванне, расположенной на такой же широте, транспирация меньше почти в 2,5 раза.

Растительность является водоохранным и водорегулирующим фактором. Она удерживает влагу в почвах, препятствуя их эрозии и иссушению.

Деятельность человека чаще всего оказывает негативное влияние на круговорот воды. Покрытие земной поверхности влагонепроницаемыми материалами, строительство оросительных и осушительных систем, уплотнение пахотных земель, вырубка лесов ведет к увеличению поверхностного стока в океан. Пополнение резервуаров грунтовых вод при этом сокращается. Так, в засушливых районах США (штаты Канзас, Техас, Оклахома) подземные воды выкачиваются быстрее, чем происходит их естественное заполнение.

В России для водоснабжения и орошения земель разведано 3367 месторождений подземных вод, эксплуатационные запасы которых составляют 28,5 • 10⁹ м³/год. Степень освоения этих запасов не превышает 40%. Однако в Европейской части России уже наблюдается существенное снижение уровня грунтовых вод.

В Беларуси запасы всей пресной воды оцениваются в 4,4 • 10¹⁰ м³/год, т. е. на каждого жителя в сутки приходится 12 м³. Это достаточно большие запасы. Забор воды из природных водных источников составляет в настоящее время примерно 1,8 • 10⁹ м³/год [49, с. 69—81 ].

биотический круговорот. В его основе лежат процессы синтеза органических веществ с последующим их разрушением на исходные минералы. Процессы синтеза и разрушения органических веществ являются фундаментом существования живого вещества и основной особенностью функционирования биосферы.

Жизнедеятельность любого организма невозможна без обмена веществ с окружающей средой. В процессе обмена организм потребляет и усваивает необходимые вещества и выделяет отходы жизнедеятельности, размеры нашей планеты не бесконечны, и в конечном итоге все полезное вещество было бы переработано в бесполезные отбросы. Однако в процессе эволюции был найден великолепный выход: кроме организмов, умеющих строить живое вещество из неживого, появились и другие организмы, разлагающие это сложное органическое вещество на исходные минералы, готовые к новому использованию. «Единственный способ придать ограниченному количеству свойства бесконечного, — писал В. Р. Вильямс, — это заставить его вращаться по замкнутой кривой».

Механизм взаимодействия живой и неживой природы состоит из вовлечения неживой материи в область жизни. После ряда превращений неживой материи в живых организмах происходит возврат ее в прежнее исходное состояние. Такой круговорот возможен из-за того, что живые организмы содержат те же химические элементы, что и неживая природа.

Как же происходит такой круговорот? В. И. Вернадский обосновал, что главным преобразователем энергии, поступающей из космоса (в основном солнечной), является зеленое вещество растений. Только они способны синтезировать первичные органические соединения под воздействием солнечной энергии. Ученый подсчитал, что общая площадь поверхности зеленого вещества растений, поглощающей энергию, в зависимости от времени года составляет от 0,86 до 4,2% от площади поверхности Солнца. В то же время площадь поверхности Земли <0,01% площади поверхности Солнца, т. е. площадь поверхности зеленого вещества превышает площадь поверхности Земли больше чем на два порядка. Эта колоссальная энергонреобразующая фабрика лежит в основе сохранения и поддержания всего живого на нашей планете.

Животные, пищей для которых являются растения или другие животные, синтезируют в своем организме новые органические соединения.

Останки животных и растений служат пищей для червей, грибков и микроорганизмов, которые в конечном итоге превращают их в исходные минералы, выделяя при этом углекислый газ. Эти минералы вновь служат первоначальным сырьем для создания первичных органических соединений растениями. Так круг замыкается и начинается новое движение атомов.

Вместе с тем круговорот веществ не является абсолютно замкнутым. Часть атомов выходит из круговорота, закрепляется и организуется новыми формами живых организмов и продуктов их жизнедеятельности. Проникая в литосферу, гидросферу и тропосферу, живые организмы производили и производят огромную геохимическую работу по перемещению и перераспределению имеющихся веществ и созданию новых. В этом суть поступательного развития биосферы, так как при этом расширяется сфера биогеохимических циклов и укрепляется биосфера. Как отмечал В. И. Вернадский, в биосфере наблюдается постоянное биогенное движение атомов в виде «вихрей».

В отличие от геологического биотический круговорот характеризуется незначительным потреблением энергии. Как уже отмечалось, на создание первичного органического вещества расходуется около 1% солнечной энергии, достигающей поверхности Земли. Этой энергии достаточно для функционирования сложнейших биогеохимических процессов на планете.