Краткое содержание: Параграф §25 / Биология 11 класс

Общее представление о биогеохимических циклах

Выдающийся ученый В. И. Вернадский полагал, что основная функция биосферы состоит в поддержании глобального круговорота веществ, который включает циркуляцию химических элементов между атмосферой, гидросферой, литосферой, почвой и живыми организмами. Процесс перемещения химических веществ из внешней среды через живые организмы и обратно во внешнюю среду, который происходит за счет использования солнечной энергии для химических реакций, называется биогеохимическим циклом.

Фотосинтез является энергетической основой существования биогеохимических циклов на Земле и их начальным этапом. Важно отметить, что каждый последующий цикл не является точным повторением предыдущего, и в процессе эволюции биосферы происходили необратимые изменения, такие как накопление углеводородов и увеличение содержания кислорода в атмосфере. В соответствии с законом глобального замыкания биогеохимического круговорота в биосфере, круговороты элементов и веществ саморегулируются и являются безотходными, поскольку все их составные части участвуют в экосистеме. Наличие замкнутого круговорота является обязательным свойством любого этапа развития биосферы.

В ходе эволюции роль живых организмов в замыкании биогеохимического круговорота постоянно росла. В современную эпоху значительное влияние на эти циклы оказывает человеческая деятельность. Человек может изымать различные вещества из существующих круговоротов (например, добывая полезные ископаемые) или, наоборот, возвращать «потерянные» элементы в экосистему (например, сжигая уголь и природный газ, возвращая углерод в круговорот).

Последствия антропогенного воздействия могут быть разными: от нарушения естественных циклов до их стабилизации или даже создания нового направления (как в случае с круговоротом азота после активного применения азотных удобрений в сельском хозяйстве). Биогеохимический круговорот представляет собой единство двух противоположных процессов: синтез органических веществ и их разрушение.

К основным биогеохимическим циклам относятся:

• Круговорот воды: Это замкнутый цикл, который претерпел изменения под влиянием жизни. Вода — самый распространенный неорганический элемент в биосфере, она является средой обитания, частью тел всех живых существ и участвует в фотосинтезе. Энергия Солнца, затрачиваемая на испарение, является основной движущей силой круговорота. Транспирация через растения играет огромную роль в этом процессе.
• Круговорот кислорода: Кислород очень активен, вступает в реакции со множеством неорганических и органических соединений и является обязательным условием для жизни на Земле. Он участвует во всех биологических реакциях окисления, обеспечивая энергией жизнедеятельность. Свободный кислород атмосферы — второй по объему после азота. Его образование происходит в процессе фотосинтеза (\( 6CO_{2} + 6H_{2}O \xrightarrow{свет} C_{6}H_{12}O_{6} + 6O_{2} \)) и потребляется в процессе дыхания и окисления. В последнее время возникла опасность снижения запасов кислорода в атмосфере из-за интенсивного сжигания топлива и уничтожения фитоценозов.
• Круговорот углерода: Углерод является основой всех органических веществ, участвует в биохимических процессах и составляет около 45% сухой биомассы. В процессе круговорота углерод переносится по цепям питания, а также выделяется в виде углекислого газа при дыхании. Сжигание органических веществ (топлива) человеком приводит к росту концентрации углекислого газа в атмосфере. Основными неживыми резервуарами углерода являются неорганические ископаемые и осадочные породы.
• Круговорот азота: Азот — обязательный элемент органических соединений (белков, АТФ, нуклеиновых кислот). Атмосферный азот (\( N_{2} \)) фиксируется некоторыми бактериями в симбиозе с высшими растениями (клубеньковые бактерии) или свободноживущими бактериями и цианобактериями, которые способны восстанавливать молекулярный азот. В результате их жизнедеятельности образуются нитраты (\( NO_{3}^{-} \)) и аммонийные соединения (\( NH_{3} \)), которые становятся доступны растениям и животным. После гибели организмов азот возвращается в почву. Хозяйственная деятельность человека, в частности использование синтезированных азотных удобрений, возвращает азот в глобальный круговорот.

Таким образом, совокупная деятельность живого вещества, включая влияние человека, формирует и поддерживает гомеостаз неорганической среды обитания, что является необходимым условием для существования более сложных форм жизни на Земле.