Круговороты элементов и веществ в биосфере
Живые организмы активно участвуют в круговороте веществ в биосфере Земли. Ключевую роль в этом играют такие биологические процессы как фотосинтез и минеральное питание, а также дыхание всех живых существ. В процессе фотосинтеза и поглощения водных растворов вещества, содержащие необходимые элементы, "забираются" из неживой природы. В результате дыхания и других процессов распада органики они туда возвращаются.
Базовыми химическими элементами, которые входят в состав живых организмов, являются углерод, водород, кислород, азот, сера и фосфор. Поэтому биогеохимические круговороты обычно рассматривают относительно этих элементов и содержащих их веществ.
Источником многих химических соединений для живых организмов являются атмосфера и гидросфера. Часть веществ поступает из горных пород через почвенные растворы, а также вымывание из почв ионов и частиц в моря и океаны.
Круговорот углерода
Хотя количество атомов углерода в телах живых организмов немного уступает количеству атомов водорода или кислорода, его можно назвать главным элементом жизни, так как в основе всех органических молекул лежит способность атомов углерода соединяться между собой в цепи.
Первичным источником органических веществ служат фотосинтезирующие и реже хемосинтезирующие организмы. Далее органика поступает в цепи питания, а также используется в процессах жизнедеятельности в телах самих создателей.
Основным источником углерода для фотосинтеза служит углекислый газ (CO2), находящийся в атмосфере или растворенный в воде. Обратно в неживую природу углерод возвращается также в форме углекислого газа, который образуется в результате дыхания, брожения, сгорания древесины, нефти, угля, других ископаемых органического происхождения.
В гидросфере содержание углекислого газа существенно превышает атмосферное.
Круговорот кислорода
Источником относительно большого количества кислорода в атмосфере Земли является процесс фотосинтеза, в котором кислород ‒ это побочный продукт, и высвобождается он из молекул воды. То есть атомы, составляющие молекулы свободного кислорода, когда-то были связаны в молекулах воды.
Свободный кислород используется живыми организмами на дыхание, а в неживой природе окисляет различные неорганические соединения.
Несмотря на то, что кислород выделяется при фотосинтезе, он примерно в том же количестве используется на дыхание. Поэтому его доля в атмосфере остается на одном уровне. Тогда как же он там накопился до имеющегося уровня? Дело в том, что в определенные моменты геологической истории Земли цикл углерода не был полностью замкнутым. Часть органики не разлагалась и, следовательно, кислород не расходовался. Эта органика была захоронена в виде осадочных пород, угля и других ископаемых.
Молекулы кислорода плохо растворяются в воде и поэтому его там в 21 раз меньше, чем в воздухе.
Круговорот водорода и воды
Вода является первичным поставщиком атомов водорода, которые включаются в состав органических веществ. В основном разложение воды на атомарный водород и кислород (молекулы последнего выделяются в окружающую среду) происходит в процессе фотосинтеза.
В природе существует глобальный круговорот воды, который в своей основе не связан с биологическим. Испарение воды и выпадение осадков происходит непосредственно под действием солнечной энергии.
Однако испарение воды растениями в процессе транспирации оказывает существенное влияние на увеличение количества осадков над сушей, тем самым создавая более благоприятные условия для жизни.
Круговорот азота
В атмосфере много азота. Но ни растения, ни животные не имеют в себе никаких биохимических процессов, позволяющих связывать молекулярный азот. И если в животных азот поступает с пищей, то растения его берут из почвы в виде ионов аммония, нитратов и других растворимых форм. В почве соединения азота оказываются преимущественно в результате разложения живого. Таким образом, может сложиться впечатление, что круговорот азота в организмах замкнут на них самих и почти не связан с неживой природой.
Однако атмосферный азот все же участвует в биогеохимическом круговороте элементов в биосфере. Важную роль в круговороте азота играют представители мира бактерий и других прокариот. Есть группы, которые разлагают биоорганические вещества, содержащие атомы азота, другие ‒ связывают атмосферный азот, переводя его в усвояемую для растений форму.
Так клубеньковые бактерии (симбиотические организмы, живущие на корнях бобовых растений), цианобактерии (синезеленые водоросли), азотобактерии (живут в почве, обогащают ее соединениями азота после отмирания) фиксируют атмосферный азот.
Аммонифицирующие микроорганизмы разлагают растительные и животные остатки, содержащие азот (в основном это белки) до аммиака. Переведенный в аммонийную форму азот может поглощаться корнями растений.
Аммонийный азот также осваивают нитрифицирующие микроорганизмы. Они используют для себя химическую энергию, окисляя аммиак сначала в нитритную форму (бактерии одного рода). Окисление нитритов в нитраты производят бактерии другого рода. Нитраты, как и аммиак, поглощается из почвы растениями.
Бактерии-денитрификаторы возвращают азот в атмосферу. В анаэробных условиях в почвах или водоемах они используют кислород нитратов для окисления органических веществ, получая энергию для своей жизнедеятельности. Азот при этом восстанавливается до молекулярного.
Круговорот серы
Растения усваивают из почвы и воды только ионы SO42-. Первичным источником серы на суше является процесс разрушения горных пород.
В круговороте серы, также как в круговороте азота, большую роль играют прокариоты. Одни из них окисляют серу из органических остатков до сульфатов. Другие восстанавливают сульфаты до сероводорода.
Серобактерии окисляют сероводород до элементарной серы, а также сульфатов.
Тионовые бактерии способны переводить элементарную серу в соли серной кислоты. В почвенных водных растворах ее ионы становятся доступны растениям.
Также сульфатные ионы выносятся речными потоками в океаны, где происходит последующее захоронение серы и ее соединений в виде залежей, а также выделение сероводорода в атмосферу, где он окисляется до двуокиси и превращается в серную кислоту при выпадении осадков.
Круговорот фосфора
Фосфор поглощается растениями и фитопланктоном в виде ионов ортофосфорной кислоты (PO43-). В почвах и водах фосфаты появляются как в результате разложения органических веществ, так и в процессе протекающего на суше выщелачивания пород (фосфоритов, аппатитов и др.). Часть содержащих фосфор соединений вымывается в водоемы.
В океанах фосфорные соединения, которые не попадают в цепи питания живых организмов или выбывают из них, захораниваются на глубинах вместе с органическими остатками, уходя с осадочными породами в большой геологический круговорот в виде фосфоритов и аппатитов.