Круговорот химических элементов в биосфере. Роль моделирования состояния биосферы

Энергия Солнца усваивается продуцентами и включается в геохимические циклы через процесс фотосинтеза, который осуществляется зелеными растениями. Процессы фотосинтеза продолжаются уже более 1,5 млрд. лет и, казалось, химические элементы, которые участвуют в этих процессах, должны были бы уже давно исчерпаться. Однако, этого не проходит. Российский ученый В.Р.Вильямс отметил: "... существует единственный путь к тому, чтобы предоставить почему-то конечном свойства бесконечного

 

- Заставить конечное вращаться по замкнутому кругу, т.е. привлечь его в круговорот ". На самом деле, все необходимые для поддержания жизни вещества не исчерпываются благодаря осуществление постоянного кругооборота.

 

Основной причиной круговорота является ограниченность химических элементов, из которых строятся тела организмов.

 

В природе существует два круговороты веществ: большой - геологический и малый - биологический, хотя как нами ранее отмечалось, правильно говорить о круговороты химических элементов, а не веществ.

 

Большой круговорот продолжается в течение сотен тысяч лет (геологических эпох). Он заключается в том, что горные породы разрушаются и улетучиваются в процессах эрозии, а образующиеся при этом продукты потоками ветра и воды, через привлечение их в малые круговороты, сносятся в Мировой океан. Вследствие этого образуются морские наслоения и, со временем, в процессе геотектонических изменений эти напластования возвращаются на сушу, и процесс начинается снова.

 

Малый круговорот, который является частью большого, происходит на уровне экосистем. Он намного более экспрессным, чем большой. Круговорот химических веществ из неорганической среды через растительный и животный миры снова в неорганическую среду (в процессе редукции) с использованием энергии химических реакций называют биохимическим циклом.

 

Живое вещество значительно ускорила и изменила круговороты различных веществ, в частности воды, кислорода, азота, серы, углерода. Образование живого вещества и его расписание - это две стороны единого процесса, который называют биохимическим (малым) круговоротом химических элементов. Справедливо утверждение, что жизнь - это круговорот химических элементов между организмом и окружающей средой.

 

Различают три основных типа биохимических круговоротов:

 

- Круговорот воды;

 

- Круговорот элементов преимущественно в газовой фазе;

 

- Круговорот элементов преимущественно в осадочной фазе.

 

Биосферу определяют как область Земли, где протекают круговороты углерода, азота, кислорода и серы, в которых принимают участие пять химических элементов (Н, О, С, N, S), движущихся через атмосферу, гидросферу и литосферу.

 

Круговорот углерода. В биосфере содержится углерода свыше 12000 млрд. тонн. Это обусловлено тем, что соединения углерода непрерывно образуются, изменяются и разлагаются в биосфере. Круговорот углерода происходит фактически между живым веществом и диоксидом углерода, который содержится в атмосфере. В процессе фотосинтеза, ежегодно высшие растения и водоросли поглощают значительные количества диоксида углерода (около 200 млрд. тонн, в пересчете на Карбон) с

 

образованием органических веществ. Отмершие растения и животные (органические вещества) разлагаются редуцентами до С02, который возвращается преимущественно в атмосферу. Полный цикл обмена атмосферного углерода проходит в течение 300 лет, но частей а углерода изымается из круговорота в виде горючих полезных ископаемых и осадочных пород (торф, нефть, уголь, известняк и т.п.).

 

Антропогенное влияние на круговорот углерода, прежде всего, обусловлен использованием органических топлив (нефть, газ, уголь, торф). При этом, в атмосферу выбрасываются значительные количества диоксида углерода, причем эти количества уже превышают компенсационные (буферные) свойства атмосферы (биосферы). Вследствие этого проходит постепенное повышение содержания диоксида углерода в атмосфере, что может быть причиной глобального изменения климата Земли ("парниковый эффект" или глобальное потепление климата).

 

Круговорот азота. Азота играет важную роль для живых организмов, ведь он входит в состав важнейших органических веществ, в частности аминокислот и т.д.. Мощным источником азота является атмосфера, где он находится в молекулярном виде. Но азот практически не усваивается живыми организмами. Исключение составляют отдельные виды растений (в частности бобовые) и бактерий (пузырьковые бактерии), которые непосредственно усваивают молекулярный азот атмосферы и после химических его преобразований привлекают в круговорот. Полный цикл круговорота азота является длительным (300-400 лет). Кроме того, привлечение азота в круговорот возможно при сочетании молекулярного азота и кислорода воздуха в экстремальных условиях (молнии и т.д.).

 

Антропогенное влияние на круговорот азота состоит в широком использовании азотных удобрений и в выбросах оксидов азота промышленностью, образующиеся при сгорании топлива путем соединения азота и кислорода воздуха. Это способствует ускорению биогенного цикла азота. Кроме того, нитраты способны накапливаться в растениях, что может быть причиной негативного воздействия на теплокровных животных (и на людей), потребляющих такую растительное сырье.

 

Круговорот кислорода. Ежегодно растительность биосферы производит до 55 млрд. тонн кислорода. Он используется живыми организмами в процессах дыхания, участвует в окислительных реакциях, проходящих в атмосфере, гидросфере и литосфере. Циркулируя через биосферу, кислород то входит в состав органического вещества, то к

 

состава воды, то образует кислород (Ог). То есть, круговорот воды, циркуляция кислорода в живом веществе и атмосфере являются частями круговорота кислорода. Весь кислород атмосферы каждые 2000 лет проходит через живое вещество биосферы, а вода вовлечена в биологический круговорот, циркулирует 300-400 лет. Для того, чтобы вся вода гидросферы прошла через живые организмы необходимо около 2 млн. лет.

 

Хозяйственная деятельность человека ускоряет круговорот воды, увеличивая площадь испарения. Кроме того, при сжигании топлив человек приводит к необратимым потерям кислорода атмосферы (за время существования человечества потеряно ~ 273 млрд. тонн 02).

 

! Деятельность человека вызывает ускорение круговоротов всех химических элементов биосферы (Н, О, С, М Б). Это обусловлено тем, что в биосферу человеком выбрасываются подвижные формы соединений этих химических элементов (СО2, БО2, АТхОу, фосфаты, сульфаты, нитраты и т.д.).

 

Поэтому, наблюдение за состоянием биосферы, за круговоротом важных химических элементов является чрезвычайно важной задачей, но наблюдение и контроль этих процессов проводить недостаточно. Для выявления нежелательных тенденций в биосфере, с целью их предотвращения, важное значение имеет моделирование состояния и развития биосферы в целом. Возможность такого моделирования позволило бы прогнозировать последствия нарушения целостности биосферы и процессов саморегуляции, которые вызваны деятельностью человека. Но прогнозирования сталкивается с рядом трудностей.

 

Во-первых, биосфера настолько сложная система, что ее невозможно описать с помощью достоверных моделей, с учетом потоков информации в ней, потоков вещества и энергии. Ряд ученых считает, что суждения о биосфере не является абсолютно достоверным, в соответствии с законом Б.Коммонера ("природа знает лучше"). Он подчеркивает самодостаточность природы и ошибочность суждений человека о ней. М.Ф.Реймерс сформулировал принцип неполноты информации, который показывает сложность моделирования биосферы и проблему правильной организации мероприятий по охране окружающей среды. По М.Ф.Реймерсом, вследствие сложности природы "... информация при проведении акций по преобразованию или любом изменении природы всегда недостаточна для априорных суждений о возможных результатах таких действий, особенно в далекой перспективе, когда имеют место все природные цепные реакции ".

 

Во-вторых, никто не знает уровня надежности такой глобальной системы, как биосфера в целом. Поэтому трудно определить предельное влияние на биосферу, который бы нарушил механизм ее саморегуляции.

 

В-третьих, биосфера существует в единственном числе и она является местом жизни человека. Любая ошибка может иметь катастрофические последствия.

 

Забегая вперед, хотелось бы отметить, что вопрос о роли биосферы для современного человечества носят дискуссионный характер. Проблема современного экологического кризиса (будет рассмотрена нами далее) теоретически может быть решена двумя основными путями. Первый

 

- Это достижение гармонии между сферой человечества (социумом) и природой (биосферой). Второй - это создание искусственной саморегулируемой надсистемы, которая обладает необходимыми людям качествами (взамен живой природы). Любой человек здравого смысла понимает, что реально осуществить в обозримом будущем только первый путь. В этом нам поможет знание о биосфере Земли.