Биотический
(биологический) круговорот. Под биотическим (биологическим) круговоротом понимается циркуляция
веществ между почвой, растениями, животными и микроорганизмами (рис. 12.10). По определению Н. П. Ремезова, Л. Е.
Родина и Н. И. Базилевич, биотический (биологический) круговорот — это поступление химических элементов из почвы,
воды и атмосферы в живые организмы, превращение в них поступающих элементов в
новые сложные соединения и возвращение их обратно в процессе жизнедеятельности
с ежегодным опадом части органического вещества или с полностью отмершими
организмами, входящими в состав экосистемы (Н. Ф. Реймерс, 1990).
Рис. 12.10. Биотический (биологический) круговорот
веществ
в экосистеме (по А. И. Воронцову, Н. 3. Харитоновой,
1979)
Сейчас же мы представим биотический круговорот в
циклической форме (рис. 12.11).
Пояснения: внутреннее
малое кольцо — первичный биотический
круговорот с участием примитивных продуцентов (П) и редуцентов-деструкторов
(Д); Р — растения; Т — первичные консументы (растительноядные
животные); X, и X, — вторичные и третичные консументы (хищники). Все циклы
замыкаются редуцентами
Первичный биотический круговорот по Т.А. Акимовой,
В.В. Хаскину (1994) состоял из
примитивных одноклеточных продуцентов (П) и редуцентов-деструкторов (Д).
Микроорганизмы способны быстро размножаться и приспосабливаться к разным
условиям, например, использовать в своем питании всевозможные субстраты — источники углерода. Высшие организмы такими
способностями не обладают. В целостных экосистемах они могут существовать в
виде надстройки на фундаменте микроорганизмов.
Вначале развиваются многоклеточные растения (Р) — высшие продуценты. Вместе с одноклеточными
они создают в процессе фотосинтеза органическое вещество, используя энергию
солнечного излучения. В дальнейшем подключаются первичные консументы — растительноядные животные (Т), а затем и
плотоядные консументы. Нами был рассмотрен биотический круговорот суши. Это в
полной мере относится и к биотическому круговороту водных экосистем, например
океана.
Все организмы занимают определенное место в
биотическом круговороте и выполняют свои функции по трансформации достающихся
им ветвей потока энергии и по передаче биомассы. Всех объединяет, обезличивает
их вещества и замыкает общий круг система одноклеточных редуцентов
(деструкторов). В абиотическую среду биосферы они возвращают все элементы,
необходимые для новых и новых оборотов.
Следует подчеркнуть наиболее важные особенности
биотического круговорота.
Фотосинтез относится к мощному
естественному процессу, вовлекающему ежегодно в круговорот огромные массы
вещества биосферы и определяющему ее высокий кислородный потенциал. Он
выступает регулятором основных геохимических процессов в биосфере и фактором,
определяющим наличие свободной энергии верхних оболочек земного шара.
Фотосинтез представляет собой химическую реакцию, которая протекает, как
известно, за счет солнечной энергии при участии хлорофилла зеленых растений:
nCO2 + nH2О + энергия®СnH2nOn + nO2
За счет углекислоты и воды синтезируется
органическое вещество и выделяется свободный кислород. Прямыми продуктами
фотосинтеза являются различные органические соединения, а в целом процесс
фотосинтеза носит довольно сложный характер.
Глюкоза является простейшим продуктом фотосинтеза,
образование которой совершается следующим путем:
6СО2+ 6Н2O ® С6Н12O6+ 6O2.
Помимо фотосинтеза с участием кислорода (так
называемый кислородный фотосинтез) следует остановиться и на бескислородном
фотосинтезе, или хемосинтезе (рис. 12.12).
К хемосинтезирующим организмам относятся
нитрификато-ры, карбоксидобактерии, серобактерии, тионовые железобактерии,
водородные бактерии. Они называются так по субстратам окисления, которыми могут
быть NH3, NO2, CO, H2S, S, Fe2+, H2. Некоторые виды — облигатные хемолитоавтотрофы, другие — факультативные. К последним относятся
карбоксидобактерии и водородные бактерии. Хемосинтез характерен для
глубоководных гидротермальных источников.
Рис. 12.12.
Схема фотосинтеза у растений, водорослей и бактерий
Фотосинтез происходит за немногим исключением на
всей поверхности Земли, создает огромный геохимический эффект и может быть
выражен как количество всей массы углерода, вовлекаемой ежегодно в построение
органического — живого вещества всей
биосферы. В общий круговорот материи, связанной с построением путем фотосинтеза
органического вещества, вовлекаются и такие химические элементы, как N, P, S, а также металлы — К, Са, Mg, Na, Al.
При гибели организма происходит обратный процесс — разложение органического вещества путем
окисления, гниения и т. д. с образованием конечных продуктов разложения.
Следовательно, общую реакцию фотосинтеза можно выразить в глобальном масштабе
следующим образом:
mCO2 + nH2O Cm×n(H2O) + mO2.
В биосфере Земли этот процесс приводит к тому, что количество биомассы живого вещества
приобретает тенденцию к определенному постоянству. Биомасса экосферы (2×1012т) на семь порядков меньше массы земной коры (2×1019т). Растения Земли ежегодно продуцируют органическое
вещество, равное 1,6×1011 т, или 8% биомассы экосферы. Деструкторы,
составляющие менее 1% суммарной биомассы
организмов планеты, перерабатывают массу органического вещества, в 10 раз превосходящую их собственную биомассу.
В среднем период обновления биомассы равен 12,5
годам. Допустим, что масса живого вещества и продуктивность биосферы были
такими же от кембрия до современности (530
млн лет), то суммарное количество органического вещества, которое прошло через
глобальный биотический круговорот и было использовано жизнью на планете,
составит 2×1012×5,3×108/12,5 =8,5×1019т, что в 4
раза больше массы земной коры. По поводу данных расчетов Н. С. Печуркин (1988) писал: «Мы можем утверждать, что атомы,
составляющие наши тела, побывали в древних бактериях, и в динозаврах, и в
мамонтах».
Закон
биогенной миграции атомов В. И. Вернадского гласит: «Миграция химических элементов на
земной поверхности и в биосфере в целом осуществляется или при непосредственном
участии живого вещества (биогенная миграция), или же она протекает в среде,
геохимические особенности которой (О2, СО2, Н2
и т. д.) обусловлены живым веществом, как тем, которое в настоящее время
населяет биосферу, так и тем, которое действовало на Земле в течение всей
геологической истории».
В. И. Вернадский в
1928—1930 гг. в своих глубоких обобщениях относительно процессов в
биосфере дал представление о пяти основных биогеохимических функциях живого
вещества.
Первая функция — газовая. Большинство газов верхних горизонтов
планеты порождено жизнью. Подземные горючие газы являются продуктами разложения
органических веществ растительного происхождения, захороненных ранее в
осадочных толщах. Наиболее распространенный —
это болотный газ — метан (СН4,).
Вторая функция — концентрационная. Организмы накапливают в своих
телах многие химические элементы. Среди них на первом месте стоит углерод.
Содержание углерода в углях по степени концентрации в тысячи раз больше, чем в
среднем для земной коры. Нефть —
концентратор углерода и водорода, так как имеет биогенное происхождение. Среди
металлов по концентрации первое место занимает кальций. Целые горные хребты
сложены остатками животных с известковым скелетом. Концентраторами кремния
являются диатомовые водоросли, радиолярии и некоторые губки, йода — водоросли ламинарии, железа и марганца — особые бактерии. Позвоночными животными
накапливается фосфор, сосредотачиваясь в их костях.
Третья функция — окислительно-восстановительная. В истории многих
химических элементов с переменной валентностью она играет важную роль.
Организмы, обитающие в разных водоемах, в процессе своей жизнедеятельности и
после гибели регулируют кислородный режим и тем самым создают условия,
благоприятные для растворения или же осаждения ряда металлов с переменной
валентностью (V, Mn,
Fe).
Четвертая
функция — биохимическая. Она связана
с ростом, размножением и перемещением живых организмов в пространстве.
Размножение приводит к быстрому распространению живых организмов, «расползанию»
живого вещества в разные географические области.
Пятая функция — это биогеохимическая деятельность человечества, охватывающая
все возрастающее количество вещества земной коры для нужд промышленности,
транспорта, сельского хозяйства. Данная функция занимает особое место в истории
земного шара и заслуживает внимательного отношения и изучения. Таким образом,
все живое население нашей планеты — живое
вещество — находится в постоянном
круговороте биофильных химических элементов. Биологический круговорот веществ в
биосфере связан с большим геологическим круговоротом (рис. 12.13).