ГЛАВА 7. Биогеохимические циклы

Малый и большой циклы углерода

В экосистемах за счет переноса вещества и энергии все химические элементы, из которых построены организмы, многократно используются в биосфере. Живое вещество рождается, изменяется и умирает, обеспечивая тем самым биогеохимический круговорот вещества и энергии. Этот круговорот имеет циклический характер и представляет собой обмен веществ биоты с веществами атмосферы, гидросферы и литосферы.

Сущность биотического (биохимического) круговорота вещества и энергии заключается в образовании живого вещества из неорганических соединений и его последующем разложении вновь в неорганические соединения. Этот круговорот для жизни биосферы является главным, при этом сам круговорот является порождением жизни.

Малыйглобальный цикл продолжительностью от нескольких суток до нескольких тысяч лет происходит в биосфере. Этот цикл ещё называют биотическим круговоротом вещества, потому что он происходит при участии живых организмов: растений, животных, микроорганизмов. В биотическом круговороте веществ участвует множество химических элементов и соединений (примерно 60), из которых наиболее важные вода, углерод, сера, азот и фосфор (Рис. 7.1).

Рис. 7.1. Основные элементы биотического круговорота

Углерод – это один из основных элементов, образующих живое вещество Земли. Он наиболее ярко отражает связь биосферы с глубинными частями Земли. Углерод является основным строительным материалом молекул углеводов, жиров, белков, нуклеиновых кислот и других важных органических соединений.

В атмосфере находится 2450∙10⁹ т углекислого газа. Из реакции фотосинтеза следует, что связывание 1 г углерода в органическое вещество сопровождается выделением 2,7 г кислорода в результате расщепления молекул воды. Углекислый газ атмосферы в процессе фотосинтеза превращается в органическое вещество растений.

Хозяйственная деятельность человека интенсифицирует биотический круговорот углерода. Поступление техногенной углекислоты в атмосферу составляет примерно 46∙10⁹ т/год, что намного меньше природных поступлений. Однако дальнейшая интенсификация этой деятельности может сопровождаться повышением концентрации диоксида углерода в атмосфере до опасного уровня 0,07%, при котором резко ухудшаются условия дыхания человека и животных.

В клетках животных и редуцентов происходит процесс клеточного дыхания, при котором глюкоза и другие органические соединения расщепляются до СО₂ для повторного использования продуцентами.

Другой важной частью круговорота углерода является анаэробное дыхание, происходящее без доступа кислорода. В ходе этого процесса различные виды анаэробных бактерий преобразуют органические соединения в метан. Такой тип дыхания встречается в основном в болотных системах и на свалках отходов.

Рис. 7.2. Потоки вещества в биосфере

Связь между процессами фотосинтеза и клеточного дыхания заставляет углерод циркулировать внутри экосистемы. Углерод быстро циркулирует между атмосферой, гидросферой и живыми организмами. Это важнейшее звено глобального круговорота углерода. На схеме рис. 7.2 ясно прослеживается важная взаимосвязь растений, животных и редуцентов. Одновременно с углеродом в экосистемах циркулируют и две другие части углеводов – кислород и водород.

В процессе фотосинтеза растения вырабатывают первичную биологическую продукцию, котораяявляется главным жизненным ресурсом животных и человека. Величина чистой биологической продукции за вычетом расхода растений на дыхание суши составляет примерно 140 млрд т/год, мирового океана – примерно 60 млрд т/год. Продукция, создаваемая консументами, является вторичной продукцией.

Таблица 7.1

Примерная продуктивность некоторых экосистем Земли

Экосистемы	Площадь, млн км2	Чистая первичная продукция, млрд т/год	Вторичная продукция, млн т/год
Тропические леса		37,4
Тайга		9,6
Саванна		13,5
Болота	2,0	4,0
С/х земли		9,1	9,0
Открытый океан		41,5
Шельф		9,6
Биосфера в целом

 

В океане углерод присутствует в двух главных формах: в составе органического вещества и в составе гидрокарбонат-иона.В водных экосистемах углерод и кислород, соединяясь с кальцием, образуют нерастворимый карбонат кальция, из которого состоят раковины моллюсков и минералы. Когда моллюски умирают, они опускаются на дно и погружаются в слой донных осадков. Возврат углерода из осадочных пород в активный круговорот происходит на протяжении миллионов лет. Расплавление горных пород в зонах субдукции,в ходе геологических процессов и при вулканических извержениях приводит к выбросу СО₂ в воздух и в воду.

Океан действует как насос, забирая СО₂ из атмосферы в холодных областях земного шара и отдавая его в тропических областях. На протяжении года живое вещество суши и океана поглощает 440 млрд т СО₂.

Карбонатообразование и фотосинтез органического вещества имеют общую направленность: на удаление из атмосферы углекислого газа, непрерывно поступающего из мантии. Скорость выведения углерода в морские осадки достигает: 85 млн т/год С_к и 20 млн т/год С_орг. Эти процессы являются частью глобального механизма поддержания невысокой концентрации СО₂ в атмосфере Земли, что важно в связи с недопущением возникновения на планете парникового эффекта.

В Мировом океане содержится примерно 2100 млрд т органического С_орг и 38600 млрд т карбонатного С_к углерода. Следует подчеркнуть, что те и другие биогенны. Основная масса С_орг представлена рассеянным органическим веществом. Концентрированные скопления С_орг представлены в виде залежей нефти и углей.

Карбонатообразование и фотосинтез – это два генеральных процесса в глобальной деятельности живого вещества на протяжении последних 3 млрд лет. Соотношение С_к и С_орг является важным показателем «лимита роста» живого вещества на разных этапах геологической истории. Это соотношение закономерно уменьшалось на протяжении последних полутора миллиардов лет. В толще осадков протерозоя (1500–570 млн лет) отношение С_к:С_орг равно 18, а в осадочной толще кайнозоя – всего 2,9.

В экосистемах перенос вещества и энергии осуществляется посредством трофических (пищевых) цепей (рис. 7.3), за счёт чего все химические элементы, из которых построены организмы, многократно используются в биосфере.

Рис. 7.3. Компоненты экосистемы поля

Наглядным способом отражения связей между организмами разных трофических уровней и организации биоценозов является пирамида биомасс или пирамида энергий(рис. 6.5). С каждого трофического уровня на следующий более высокий уровень по лестнице «продуцент – консумент – редуцент» передаётся только часть энергии – примерно 10%, а до 90% теряется, переходя в тепло. Кроме того, при переходе с уровня на уровень часть органического вещества исключается из круговорота и уходит в «геологический запас». В результате происходит накопление органических веществ в осадочных породах.

Малый цикл углерода является поставщиком этого элемента для большого глобальногоцикла продолжительностью многие миллионы лет (рис. 7.4). Неотъемлемым элементом этого цикла является нефте- и газообразование. При условии длительного и устойчивого погружения осадочных пород углеводороды являются продуктом промежуточной стадии глобального углеродного цикла.

Рис. 7.4. Большой и малый циклы углерода

Органическое вещество в результате дыхания организмов, их разложения и других процессов преобразуется, выделяется в атмосферу, гидросферу и запасается в осадках. Часть углерода на длительный срок выходит из биотического круговорота «в геологию» в виде торфа, сапропелей, гумуса.

Хранителями углерода являются также живая биомасса, гумус, карбонатные осадочные породы, горючие полезные ископаемые. В почве имеется значительное количество неживого органического вещества: разложившиеся растительные остатки – около 200 млрд т, скопления торфа – 500 млрд т и почвенный гумус. Примерно за 1000 лет в почве за счёт отмирающих продуктов фотосинтеза и образования гумусовых веществ связывается масса углерода, содержащаяся в атмосфере.

На рис. 7.4 схематично представлена последовательная эволюция органического веществакак в рассеянной, так и в концентрированной форме от момента его возникновения в живом веществе до захоронения и преобразования в диагенезе, затем трансформации в катагенезе до углеводородов и конечных продуктов преобразования – графита и метана.

Биогенная миграция химических элементов создала современную глобальную экосистему. За миллионы лет растения поглотили огромное количество СО₂ и одновременно обогатили атмосферу кислородом. Скелеты беспозвоночных образовали такие осадочные породы как известняк и мел, растительные осадки образовали каменный уголь и нефть. Биогенное происхождение имеет и почва.

Главной формой нахождения углерода в земной коре является карбонатный углерод С_к. За всю историю фотосинтеза в осадочной оболочке Земли накоплено около 15·10¹⁵ т органического углерода С_орг.

Таблица 7.2