Обмен веществ и энергии в биосфере

Организмы, составляющие живое вещество, в биосфере выполняют важнейшие биогеохимические функции: энергетическую, газовую, окислительно-восстановительную, концентрационную, деструктивную, транспортную, средообразующую, рассеивающую, информационную.

Все живые организмы в биосфере Земли находятся в постоянной связи с неживой природой, их существование зависит от поступления энергии из космоса. Постоянный поток лучистой энергии Солнца преобразуется хлорофиллом растений в химическую энергию органического вещества, накапливающегося в фитомассе. Образованные в процессе фотосинтеза органические вещества служат источником энергии для самого растения (растения-автотрофы) или переходят по пищевым цепям к другим организмам (гетеротрофным) — растительноядным животным, а затем от них — к плотоядным. Выделение заключенной в органических веществах энергии происходит в процессе дыхания, брожения. Отмершие остатки организмов разлагаются сапрофитами (грибы, бактерии) до простых неорганических составных частей. При этом в окружающую среду выделятся остаточная тепловая энергия. Лишь доли процента аккумулированной растениями солнечной энергии нс попадают в цепи питания и консервируются в биогенных осадочных породах в виде угля, нефти, торфа.

За счет энергии органической пищи живое вещество выполняет специфические биохимические функции — концентрирует, трансформирует, аккумулирует и перераспределяет химические элементы в земной коре, т. е. выполняет полезную работу, и рассеивается. Таким образом, вся поглощенная организмами в виде химических связей органики солнечная энергия, совершив полезную работу, возвращается в пространство в виде теплового излучения. Поэтому биосфере постоянно требуется приток энергии извне.

Эти процессы подчиняются фундаментальным естественным законам — первому и второму законам (началам) термодинамики.

Первый закон термодинамики часто называют законом сохранения энергии. Это означает, что энергия не создается и не исчезает, она только переходит из одной формы в другую. Количество энергии при этом не меняется.

В экосистемах биосферы происходит много преобразований энергии. Лучистая энергия Солнца благодаря фотосинтезу превращается в энергию химических связей органического вещества продуцентов, затем в энергию, аккумулированную в органическом веществе консументов разных уровней, и т. д.

Второй закон термодинамики определяет направление качественных изменений энергии в процессе ее трансформации из одной формы в другую. Закон описывает соотношение полезной и бесполезной работы во время перехода энергии из одной формы в другую. Этот закон называют законом энтропии.

Существует еще одна формулировка этого закона: любой вид энергии, в конечном счете, переходит в форму, наименее пригодную для использования и наиболее легко рассеивающуюся — тепловую.

Живое вещество биосферы включено в непрерывный круговорот веществ. В процессе жизнедеятельности необходимые химические элементы переходят из внешней среды в организм, а при разложении эти элементы возвращаются в окружающую среду. Такие пути циркуляции химических веществ, протекающие с использованием солнечной энергии, называются биогеохимические циклы. Выделяют большой (геологический) и малый (биологический) циклы.

Большой круговорот измеряется масштабами геологического времени и длится сотни тысяч или миллионы лет. Геологический цикл обуславливает разрушение, миграцию и аккумуляцию химических соединений и веществ, переход из одного агрегатного состояния в другое. Под влиянием солнечной энергии возникают динамические процессы в тропосфере и гидросфере, которые приводят к перераспределению тепла и влаги. От количества солнечной энергии зависят скорость и масштабность развития экзогенных процессов. Вместе с эндогенными процессами — вулканизмом, тектоническими движениями — происходит формирование и развитие океанов и континентов.

С появлением биосферы в большой круговорот включились продукты жизнедеятельности организмов. Геологический круговорот становится поставщиком питательных веществ — резервным фондом для биологического круговорота. Резервный фонд сосредоточен в атмосфере — в виде газов, в воде — в виде растворенных химических элементов и их соединений, в литосфере — в виде минеральных и органоминеральных веществ, часть из которых находится в верхних горизонтах и почвах.

В биологических циклах участвуют все организмы, которые в процессе жизнедеятельности поглощают вещества, перерабатывают их и возвращают в окружающую среду уже в другой форме. В результате этого одно и то же вещество многократно используется для построения живой материи. Отдельные циклы не являются полностью замкнутыми. Часть элементов и соединений в процессе миграции и превращения рассеивается и выпадает из круговорота.

Продолжительность круговоротов тех или иных веществ чрезвычайно различна. Установлено, что полный оборот углекислого газа в атмосфере через фотосинтез составляет около 300 лет, кислорода атмосферы тоже через фотосинтез — 2000—2500 лет, азота атмосферы через биологическую фиксацию — примерно 100 млн лет, а воды через испарение — около 1 млн лет.

Из всех известных химических элементов более 40 вовлечено организмами в активный круговорот. Важнейшими биогенными элементами являются азот (N), углерод ©, кислород (О), фосфор (Р), сера (S). Схемы биогеохимических циклов многих элементов можно найти в справочной литературе. Приведем как пример цикл воды и углерода. Вода обладает рядом уникальных свойств, благодаря которым она служит биологическим растворителем — естественной средой обитания живых клеток и организмов. Углерод служит основным материалом генетических систем, а значит условием существования и воспроизведения жизни. Свойства и особенности углерода обуславливают многообразие органических веществ и биохимических процессов. Содержание углерода в живых организмах составляет около 45% от сухой массы.

Круговорот воды — это непрерывный процесс циркуляции влаги, охватывающий атмосферу, гидросферу, литосферу и биосферу (см. рис. 4.1.). Он играет главную роль в связывании геологического и биологического круговоротов. В биосфере вода, непрерывно переходя из одного состояния в другое, совершает малый и большой круговороты. Важное свойство круговорота воды заключается в том, что он, взаимодействуя с литосферой, атмосферой и живым веществом, связывает воедино все части гидросферы.

Вода — важнейший компонент всего живого. Грунтовые воды, проникая сквозь ткани растения в процессе поглощения и транспирации, приносят минеральные соли, необходимые для жизнедеятельности самих растений. Вода удовлетворяет физиологические потребности животных. Движущей силой глобального круговорота воды служит солнечная энергия, вызывающая испарение с поверхности океанов и суши.

Круговорот углерода — один из важнейших круговоротов веществ в биосфере. Изменения глобального масштаба круговорота углерода, вызванные антропогенной деятельностью, приводят к неблагоприятным для биосферы последствиям. С процессом круговорота углерода напрямую связаны содержание кислорода в атмосфере и его круговорот в биосфере (рис. 6.2), изменения климата и погодных условий на земной поверхности.

Углерод в биосфере часто представлен наиболее подвижной формой — углекислым газом. Источником первичной углекислоты биосферы является вулканическая деятельность, связанная с вековой дегазацией мантии и нижних горизонтов земной коры.

Рис. 6.2. Круговорот углерода в биосфере.

Миграция углекислого газа в биосфере Земли протекает двумя путями. Первый путь заключается в поглощении его в процессе фотосинтеза с образованием органических веществ и в последующем захоронении их в литосфере в виде торфа, угля, горючих сланцев, рассеянной органики, осадочных горных пород. Так, в далекие геологические эпохи значительная часть фотосинтезируемого органического вещества накапливалась и постепенно погребалась под различными минеральными осадками. Находясь в породах миллионы лет, этот детрит под действием высоких температур и давления (процесс метаморфизации) превращался в нефть, природный газ и уголь. Теперь в огромных количествах добывается это ископаемое топливо для обеспечения потребностей в энергии, а сжигание его в определенном смысле завершает круговорот углерода.

По второму пути миграция углерода осуществляется созданием карбонатной системы в различных водоемах, где С0₂ переходит в Н₂С0₃. Затем с помощью растворенного в воде кальция (реже магния) происходит осаждение карбонатов СаС0₃ биогенным и абиогенным путями. Возникают мощные толщи известняков. Наряду с этим большим круговоротом углерода существует еще ряд малых его круговоротов на поверхности суши и в океане.

В дневное время углекислый газ атмосферы поглощается растительностью в процессе фотосинтеза. В ночное время часть его выделяется растениями во внешнюю среду. С гибелью растений и животных на поверхности происходит окисление органических веществ с образованием С0₂. Особое место в современном круговороте веществ занимает массовое сжигание органических веществ и постепенное возрастание содержания углекислого газа в атмосфере, связанное с ростом промышленного производства и транспорта.