БИОГЕОХИМИЧЕСКИЙ КРУГООБОРОТ ВЕЩЕСТВ В ПРИРОДЕ И ЕГО НАРУШЕНИЕ ЧЕЛОВЕКОМ

1.2. БИОГЕОХИМИЧЕСКИЙ КРУГООБОРОТ ВЕЩЕСТВ В ПРИРОДЕ И ЕГО НАРУШЕНИЕ ЧЕЛОВЕКОМ

На нашей планете земная кора, атмосфера и океаны всегда были связаны геохимически между собой и с Космосом. Из Космоса на Землю непрерывно поступает, в основном солнечная энергия, и частично вещество (космическая пыль — до 5*106 т/год). Одновременно энергия и вещество рассеиваются Землей в окружающее космическое пространство. Эти связи прямые и обратные особенно усложнились и усилились с появлением жизни, а главное, растений на Земле. Возникла многокомпонентная, открытая система — биосфера.

1.2.1. СОВРЕМЕННОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ О БИОСФЕРЕ И КРУГООБОРОТЕ ВЕЩЕСТВ В ПРИРОДЕ

Термин „биосфера" впервые был предложен в 1873 г. австрийским геологом Эдвардом Зюссом для обозначения области (пространства) существования живых организмов на Земле. В современной научной практике для обозначения совокупности всего живого на Земле вместе с непосредственным окружением и ресурсами,

как правило, употребляют термин „экосфера". Экосфера рассматривается как глобальная система, объединяющая все современные экосистемы Земли. Верхняя граница экосферы проходит на высоте нескольких (не более 30) километров над поверхностью растительного покрова на суше или над уровнем океана. Нижняя граница в наземных условиях определяется максимальной глубиной проникновения корней растений и ходов роющих животных. В водной среде нижняя граница экосферы соответствует максимальной глубине сохранения биологической активности в донных осадках.

В 20-е годы нашего столетия учение о биосфере было развито и преобразовано выдающимся естествоиспытателем академиком В. И. Вернадским, который впервые подчеркнул исключительную роль живых организмов в образовании биосферы. По его определению биосфера — структурная оболочка Земли, созданная самой жизнью, где не только живут, но которая преобразована живыми организмами и связана с их жизнедеятельностью.

Следовательно, биосфера (по В. И. Вернадскому) представляет собой область существования всех былых экосфер и простирается далеко за пределы современной экосферы.

Почти весь кислород атмосферы, в том числе и образующийся в наше время, имеет биогенное происхождение. Также биогенными являются многие полезные ископаемые, включая нефть, уголь и газ. Таким образом, В. И. Вернадский существенно расширил границы биосферы, включив в нее всю гидросферу, нижние слои атмосферы, где сосредоточен практически весь кислород, и часть литосферы до глубины залегания полезных ископаемых биогенного происхождения.

Энергия, придающая биосфере ее обычный облик, имеет Космическое происхождение. Она исходит от Солнца в форме лучистой энергии. Но именно живые организмы, их совокупность, превращают эту космическую лучистую энергию в Земную, и создают бесконечное разнообразие нашего мира.

Важнейшей характеристикой состояния биосферы является величина биомассы, т. е. массы всех органических веществ, созданных живыми организмами. Годичный прирост биомассы называется продукцией. Вся биомасса суши составляет величину порядка 6,5*1012 т; 98—99% биомассы суши приходится на растения и только 1—2% — на животных.

Продукция суши оценивается величиной 1,5—5,5*10'° т/год. Биомасса океана, примерно, соответствует 3,0*10ю т, из которых только 3% приходится на растения, а 97% составляют животные, в основном, планктон. Несмотря на то, что биомасса океана примерно в 200 раз меньше биомассы суши, их продукции практически равны, т. к. биомасса суши обновляется в среднем за 15 лет, а биомасса океана, представленная в основном планк­тоном, за несколько дней.

Та форма жизни, которая установилась на нашей планете (белково-нуклеиновая) существует за счет сочетания нескольких благоприятных астрономических факторов: постоянство светности Солнца (3,9*1020 МВт), большая масса Земли (6Т021 т), большое количество воды и воздуха, орбита Земли. Живые существа (растения, животные, микроорганизмы) существуют в атмосфере, гидросфере, верхней части литосферы и простилаются ввысь на 85 км (на этой высоте выявлены споры микроорганизмов в пробах воздуха), а опускаются вниз приблизительно на 1,5—2 км в молодых складчатых областях и на 7—8 км в кристаллических щитах.

Приспособленность живых организмов к экстремальным условиям окружающей среды безгранична: в горячих гейзерных источниках с температурой до 98 °С живут бактерии, в Мертвом море, где соленость воды составляет 35% существуют микроорга­низмы, в сероводородных водах живут серобактерии, и т. д.

В. И. Вернадский доказал, что живые организмы формируют лицо Земли, состав атмосферы, гидросферы и литосферы, они не только приспосабливаются к условиям окружа­ющей среды, но и активно их изменяют. Процессы в биосфере поддерживаются и порождаются космическими и земными факторами, а живые и неживые вещества на Земле составляют одно целое.

Одним из проявлений биологической активности организмов являются скорость их размножения, которая теоретически может равняться скорости звука. Например, одноклеточная водоросль диатомея теоретически способна за 8 дней создать массу живой материи равную земной, а в течении следующего дня — удвоить ее.

Кругооборот живого вещества выгодно отличается от неживого: живое вещество биосферы обновляется в среднем за 8 лет, мирового океана — за 33 дня, фитомасса океана — ежедневно, фитомасса суши — за 14 лет. В биосфере происходит беспрерывный обмен веществ, поэтому все химические элементы земной коры, атмосферы и гидросферы много раз входили в состав тех или других организмов.

Следует отметить, что живые организмы играют решающую роль в аккумуляции солнечной энергии: например, каменный уголь, углекислый калий, железо, медь, марганец имеют биогенное происхождение, молибден, кобальт, никель концентрируются водной средой больше, чем атмосферой.

Система связей в биосфере очень сложная, но основными блоками управления являются: энергия Солнца, внутреннее тепло Земли и радиоактивный распад. Стойкость биосферы за все время ее существования объясняется постоянством ее общей массы (1019 т), массы живого вещества (1015 т), энергии и химического состава, а все функции живых организмов в ней выполняются только комплексом их видов.

В. И. Вернадский доказал, что количество живого вещества является константой планеты в течении всего геологического времени, а изменения происходили только за счет перегруппировки химических элементов, а не коренными изменениями их состава и количества.

В. И. Вернадский впервые подчеркнул роль человека и разума в преобразовании биосферы. За минувшие 50—100 лет многосторонняя хозяйственная деятельность человека, ее прямое и косвенное влияние на атмосферу, гидросферу и литосферу подняли роль антропогенного фактора на уровень, сравнимый с природными биогеохимическими факторами кругооборота веществ в биосфере. Человечество стало геологической силой. Возникла так называемая „ноосфера" — сфера разума.

Как уже отмечалось, на нашей планете существовал геохимический кругооборот веществ, но с появлением жизни на Земле геохимические связи стали биогеохимическими — более сложными и разнообразными. В условиях развитой биосферы на протяжении последних сотен миллионов лет кругооборот веществ в природе осуществляется уже под совместным действием биологических, геохимических и геофизических факторов. Именно в этом смысле употребляются термины: биогеохимический кругооборот, биогеохимические циклы. В последнее время к перечисленным факторам, добавилась еще и хозяйственная деятельность человека, в результате чего происходит быстрое нарушение, формировавшегося миллионами лет, биогеохимического кругооборота веществ, что может иметь непоправимые последствия для будущего человечества.

Биогеохимический кругооборот и связанные с ним превращения энергии являются основой динамического равновесия и устойчивости биосферы. Нормальные, ненарушенные биогеохимические циклы имеют круговой, почти замкнутый характер. Этим поддерживается известное постоянство и равновесие состава, количества и концентрации компонентов в биосфере (например, состав атмосферного воздуха, концентрация солей в воде океанов, количество осадков и объемы речных стоков и т. д.). В свою очередь подобное постоянство обуславливает генетическую и физиологическую приспособленность живых организмов к существованию на Земле. С другой стороны неполная замкнутость циклов в геологическом масштабе времени приводит к концентрированию или рассеиванию отдельных элементов. В качестве примера, можно привести концентрирование азота и кислорода в атмосфере, водах океанов, образование залежей карбонатов, фосфатов, железных руд, ископаемого горючего.

Все биогеохимические циклы, существующие в биосфере, складывались длительное время и протекают довольно медленно. По оценкам ученых полный оборот углекислого газа в атмосфере, т. е. время его полного замещения, составляет 300 лет, кислорода 2000 лет. В этих же пределах колеблется и продолжительность кругооборота других элементов. Общепланетарные климатические и геохимические циклы, охватывающие всю атмосферу и весь океан, толщи донных осадков и коры выветривания, протекают крайне медленно и исчисляются сотнями тысяч и миллионами лет. Поэтому огромные по размерам и происходящие в крайне короткие сроки (порядка десятков лет) масштабы человеческого воздействия на биосферу нарушают установившиеся скорости биогеохимических кругооборотов, что может привести к опасным, непоправимым последствиям.

Если взять практически любой живой организм на нашей планете и исследовать его состав, то окажется, что более 99% его веса составляют 9 основных элементов: О, Н, С, N, Ca, S, Р, К, Si, называемых в силу этого, «основными элементами жизни». Главными составными элементами живого вещества, по весу, являются кислород (65 — 70%) и водород (10%). Остальные — 20—25% представлены углеродом, азотом, кальцием (от 1 до 10%), серой, фосфором, калием, кремнием (от 0,1 до 1 %). Другие элементы присутствуют в живых организмах в микроколичествах (менее 0,1%): так, в теле человека их найдено более 70. Такое количество элементов — „кирпичей" живых организмов объясняется тем, что все они удовлетворяют двум требованиям: имеют минимальный объем и сохраняют стабильность при потере или приобретении электронов. Эти элементы, называемые биофильными, являются главными участниками биогеохимического кругооборота веществ в биосфере — основы ее динамического равновесия и устойчивости.

Различают три основных типа биогеохимических кругооборотов: воды, элементов в газовой фазе, элементов в твердой и жидкой фазах.