Кругообіг хімічних елементів в біосфері
Вертьянов С. Ю.
Природні ресурси
Кожна тварина або рослина є ланкою в ланцюгах
харчування своєї екосистеми, обмінюється речовинами з неживою природою, а
отже - включене в кругообіг речовин біосфери. Хімічні елементи в
складі різних з'єднань циркулюють між живими організмами, атмосферою і
грунтом, гідросферою і літосферою. Розпочавшись в одних екосистемах, кругообіг закінчується
в інших. Вся біомаса планети бере участь у кругообігу речовин, це додає
біосфері цілісність і стійкість. Живі організми суттєво впливають на
переміщення і перетворення багатьох сполук. У біологічному кругообігу
задіяні насамперед елементи, що входять до складу органічних речовин: С,
N, S, Р, О, Н, а також ряд металів (Fe, Ca, Mg та ін.)
Циркуляція з'єднань здійснюється в основному за
рахунок енергії Сонця. Зелені рослини, акумулюючи його енергію і споживаючи з
грунту мінеральні сполуки, синтезують органічні речовини. Органіка
поширюється в біосфері по ланцюгах харчування. Редуценти руйнують рослинну
і тваринну органіку до мінеральних сполук, замикаючи біологічний цикл.
У верхніх шарах океану і на поверхні суші
переважає утворення органічної речовини, а в грунті і глибинах моря - його
мінералізація. Міграція птахів, риб, комах сприяє і переносу
накопичених ними елементів. Істотно на кругообіг елементів впливає
діяльність людини.
Кругообіг води. Нагрівається сонцем води планети
випаровуються. Випадаючий живильним дощем волога повертається назад в океан у
якості річкових вод або очищених фільтрацією грунтових вод, переносячи величезне
кількість неорганічних і органічних сполук. Живі організми активно
беруть участь у кругообігу води, що є необхідним компонентом процесів
метаболізму (про біологічну роль води див. § 1). На суші більша частина вод
випаровується рослинами, зменшуючи водостік та перешкоджаючи ерозії грунту. Тому
при вирубці лісів поверхневий стік збільшується відразу в кілька разів і
викликає інтенсивний розмив грунтового покриву. Ліс уповільнює танення снігу, і
тала вода, поступово стікаючи, добре зволожує поля. Рівень грунтових вод
підвищується, а весняні повені рідко бувають руйнівними.
Вологі тропічні ліси пом'якшують жаркий
екваторіальний клімат, затримуючи і поступово випаровуючи воду (це явище
називають транспірації). Вирубка тропічних лісів викликає в довколишніх
районах катастрофічні посухи. Хижацьке знищення лісів здатне
перетворити в пустелі цілі країни, як це вже сталося в північній Африці.
Кругообіг води, регульований рослинністю, - найважливіша умова підтримки
життя на Землі.
Кругообіг вуглецю. У процесі фотосинтезу рослини поглинають
вуглець у складі вуглекислого газу. Продукують ними органічні речовини
містять значну кількість вуглецю, що поширюється в екосистемі по
ланцюгів харчування. У процесі дихання організми виділяють вуглекислий газ.
Органічні залишки в морі і на суші мінералізують редуцентамі. Один з
продуктів мінералізації - вуглекислий газ - повертається в атмосферу, замикаючи
цикл.
Протягом 6-8 років живі істоти пропускають через себе
весь вуглець атмосфери. Щорічно в процес фотосинтезу залучається до 50 млрд.
т вуглецю. Частина його накопичується в грунті і на дні океанів - в кістяках
водоростей та молюсків, коралових рифах. Істотний запас вуглецю
міститься в складі осадових порід. На основі копалин рослин і
планктонних організмів сформовані родовища кам'яного вугілля, органогенного
вапняку і торфу, природного газу і, можливо, нафти (деякі вчені
припускають абіогенне походження нафти). Природне паливо при згоранні
поповнює кількість атмосферного вуглецю. Щорічно вміст вуглецю в
атмосфері збільшується на 3 млрд. т і може порушити стійкість біосфери.
Якщо темп приросту збережеться, то інтенсивне танення полярних льодів, викликане
парниковим ефектом вуглекислого газу, призведе до затоплення великих прибережних
територій по всьому світу.
Кругообіг азоту. Значення азоту для живих організмів
визначається в основному його вмістом в білках та нуклеїнових кислотах. Азот,
як і вуглець, входить до складу органічних сполук, кругообіг цих
елементів тісно пов'язані. Головне джерело азоту - атмосферне повітря. Завдяки
фіксації живими організмами азот надходить з повітря в грунт і воду. Щорічно
синьо-зелених пов'язують близько 25 кг/га азоту. Ефективно фіксують азот і
клубенькові бактерії.
Рослини поглинають сполуки азоту з грунту і
синтезують органічні речовини. Органіка поширюється по ланцюгах харчування
аж до редуцентов, що розкладають білки з виділенням аміаку, що перетворює
далі іншими бактеріями до нітритів і нітратів. Аналогічна циркуляція азоту відбувається
між організмами бентосу і планктону. Денітрифікуючі бактерії
відновлюють азот до вільних молекул, що повертаються в атмосферу.
Невелика кількість азоту фіксується у вигляді оксидів молніевимі розрядами і
потрапляє у грунт з атмосферними опадами, а також надходить від вулканічної
діяльності, компенсуючи зменшення в глибоководні відкладення. Азот надходить у
грунт також у вигляді добрив після промислової фіксації з повітря атмосфери.
Кругообіг азоту - більш замкнутий цикл, ніж
кругообіг вуглецю. Лише незначна його кількість вимивається річками або
йде в атмосферу, залишаючи межі екосистем.
Кругообіг сірки. Сірка входить до складу ряду амінокислот
і білків. З'єднання сірки надходять в кругообіг в основному у вигляді сульфідів з
продуктів вивітрювання порід суші та морського дна. Низка мікроорганізмів
(наприклад, хемосінтезірующіе бактерії) здатні переводити сульфіди в доступну
для рослин форму - сульфати. Рослини і тварини відмирають, мінералізація їх
залишків редуцентамі повертає сполуки сірки в грунт. Так, серобактеріі
окислюють до сульфатів що утворюється при розкладі білків сірководень. Сульфати
сприяють переводу важкорозчинних сполук фосфору в розчинні.
Кількість мінеральних сполук, доступних рослинам, зростає, поліпшуються
умови для їх живлення.
Ресурси сірковмісних корисних копалин досить
значні, а надлишок цього елемента в атмосфері, що призводить до кислотних
дощів і порушує процеси фотосинтезу поблизу промислових підприємств, які вже
турбує вчених. Кількість сірки в атмосфері істотно збільшується при
спалюванні природного палива.
Кругообіг фосфору. Цей елемент міститься в ряді
життєво важливих молекул. Його кругообіг починається вимиванням фосфорвмісних
з'єднань з гірських порід і надходженням їх у грунт. Частина фосфору несеться в
річки і моря, інша - засвоюється рослинами. Біогенний круговорот фосфору
відбувається за загальною схемою: редуценти. ® консументи ® продуценти
Значні кількості фосфору вносяться на поля з
добривами. Близько 60 тис. т фосфору щорічно повертається на материк з виловом
риби. У білковому раціоні людини риба складає від 20% до 80%, деякі
малоцінні сорти риб переробляються на добрива, багаті корисними
елементами, в т. ч. фосфором.
Щорічний видобуток фосфорвмісних порід становить 1-2
млн. т. Ресурси фосфорвмісних порід поки великі, але в майбутньому людству,
ймовірно, доведеться вирішувати проблему повернення фосфору в біогенний кругообіг.
Природні ресурси. Можливість нашого життя, її умови
перебувають у залежності від природних ресурсів. Біологічні і особливо харчові
ресурси служать матеріальною основою життя. Мінеральні і енергетичні
ресурси, включаючи в виробництво, є основою стабільного рівня життя.
Ресурси прийнято ділити на невичерпні та вичерпні.
Енергія Сонця і вітру, атмосферне повітря і вода практично невичерпні.
Однак при сучасному неекологічно промисловому виробництві воду і повітря
можна лише умовно вважати невичерпними ресурсами. У багатьох районах у зв'язку
із забрудненням виник дефіцит чистої води і повітря. Для того, щоб ці
ресурси залишалися невичерпними, необхідно дбайливе ставлення до природи.
Вичерпні ресурси поділяють на поновлювані і
поновлювані. До не поновлюваних відносяться втрачені види тварин і
рослин, більшість корисних копалин. Поновлюваними ресурсами є
деревина, промислові тварини і риби, рослини, а також деякі корисні
копалини, наприклад, торф.
Інтенсивно споживаючи природні ресурси, людині
необхідно дотримуватися природну рівновагу. Збалансованість ресурсів у
кругообігу речовин визначає стійкість біосфери.
Господарська діяльність людини та глобальні
екологічні проблеми
Близько 10-15% поверхні суші розорано, 25%
являють собою цілком або частково окультурені пасовища. Якщо до цього
додати 3-5% поверхні, зайнятої транспортною мережею, промисловістю,
будівлями і спорудами, і близько 1-2% території Землі, пошкодженої розробками
корисних копалин, то виявиться, що майже половина поверхні суші
видозмінена діяльністю людини.
З розвитком цивілізації її негативний внесок в
біосферні кругообіги збільшується. На кожну тонну промислової продукції
припадає 20-50 т відходів. На кожну людину у великих містах припадає
понад 1 т харчового і побутового сміття на рік. Дисгармонія в біосфері відбивається
як на рослинному і тваринному світі, так і на здоров'я людей. ? начітельние кількості цієї отрути знайшли в організмах
антарктичних пінгвінів, які отримали його з рибою. Багато отрутохімікати дуже
стійкі і здатні тривалий час накопичуватися в тканинах організмів,
багатократно помножити на кожному наступному харчовому рівні.
Внаслідок нерозумної господарської діяльності
людини природні водойми виявилися отруєними солями важких металів --
ртуті, свинцю, а також міді та цинку. Ці сполуки накопичуються в мулі, в
тканинах риб, а через харчові ланцюги потрапляють в організм людини, викликаючи
найважчі отруєння. Вміст свинцю в тканинах організмів жителів
індустріальних районів США за останні 100 років виросло в 50-1000 разів. Навіть у
льодовиках Паміро-Алтаю вміст ртуті збільшилася в п'ять разів. Незначний
кількості багатьох хімікатів порушують поведінку риб, омарів та інших водних
видів. На цих ознаках заснована реєстрація мінімальних концентрацій міді,
ртуті, кадмію, фенолів. Один з найпоширеніших пестицидів - токсафен --
при утриманні 1:108 (1 частину на 100 млн.) викликає загибель деяких риб
(наприклад, гамбузія), необоротні зміни в печінці і зябрах сомів і форелі.
Витік нафти при видобутку і транспортуванні призводить до
утворення на поверхні річок і морів нафтової плівки (більше 40% всієї нафти
видобувається на шельфі). За спостереженнями з супутників, забруднено близько 10-15%
поверхні світового океану. Нафта з поверхні поступово випаровується і
розкладається бактеріями, але це відбувається повільно. Гине безліч водних
птахів, знищується планктон, а слідом за ним і його основні споживачі --
мешканці морських глибин. "Бентіческая пустеля" в Балтійському морі
охоплює більше 20% поверхні дна. Нафта перешкоджає збагачення вод
киснем. У результаті порушується газовий баланс гідросфери з атмосферою і
зміщується екологічну рівновагу.
Масову загибель риб викликало будівництво гребель
електростанцій. Горбуша, наприклад, завжди нереститься тільки в тій річці, де
вона народилася. Риба пропливає для цього в океані тисячі кілометрів, знаходить
рідну річку, а вона виявляється перегородженій. Риба кидається, викидається на
берег і гине. Перегороджуються річки - зникає риба. Коли Волга текла
вільно, вона проходила шлях від верхів'я до гирла за 50 днів, тепер - за 2
року. Вода замулюється, загниває, в ній швидко розмножуються паразити,
знищують ослаблену рибу. Не менш згубним за своїми наслідками може
стати поворот північних річок.
Інтенсивна видобуток риби і молюсків виснажила багато
шельфові екосистеми.
Руйнування грунтів. Велика розорювання степів в нашій
країні і США стала причиною пилових бур, що забрали мільйони гектарів
родючих земель. Для відтворення сантиметрового шару грунту природі
потрібно 100-300 років! В даний час близько 1/3 оброблюваних угідь
втратили 50% родючого шару з-за різних видів ерозії. Щороку з-за
ерозії втрачається близько 3 млн. га, з причини спустошення - 2 млн. га,
внаслідок отруєння хімічними речовинами - 2 млн. га.
Грунти багатьох сільськогосподарських районів опинилися
засоленими. У Пріаралье це відбулося в результаті соляних пилових бур, у
інших районах - від неправильної організації стоку зрошувальних вод. Надлишок
води викликає підйом до поверхні багатих солями грунтових вод. Інтенсивне
випаровування виробляє засолення верхніх горизонтів грунту, і через кілька років
на таких землях стає неможливим вирощувати сільськогосподарські
культури. Засолення грунту ще 4000 років тому призвело до занепаду сільського
господарства в Месопотамії. Іригаційні води спочатку забезпечували там хороші
врожаї, але внаслідок інтенсивного випаровування викликали хімічну деградацію
грунту.
Велика проблема пов'язана і з фізичною деградацією
оброблюваних земель - сильним ущільненням важкими сільськогосподарськими
машинами.
Втрата природного різноманіття видів. Значна
частину тварин і рослин мешкає в лісових біоценозах. Якщо 1500 років тому лісу
займали 7 млрд. га планети, то сьогодні - не більше 4 млрд. га. Особливо
варварськи йде вирубка тропічних лісів, в яких зосереджено близько 80%
всіх видів рослин планети. Тропічні ліси розташовані в основному в
слаборозвинених країнах, для яких продаж деревини - один з основних
джерел доходу. Ліси в тропіках скоротилися до 7% території суші, і якщо
темпи їх знищення збережуться, то до 2030 р. від них залишиться лише чверть.
У Центральній Росії практично знищені хвойні
лісу, інтенсивно вирубуються найцінніші і найбільш доступні для техніки
лісові масиви Сибіру і Далекого Сходу. Зі знищенням лісів порушується клімат,
деградують грунти, вмирають річки, зникають тварини та рослини.
Унікальний ліс в басейні Амазонки вирубують на 2% в
рік. У Гаїті ще 20 років тому ліси займали 80% території, сьогодні - тільки
9%. Через хижацької вирубки кожен рік безповоротно зникають тисячі видів
рослин, на межі зникнення знаходяться близько 20 тис. видів квіткових, 300
видів ссавців, 350 видів птахів. Зі зникненням кожного виду рослин
вимирає від 5 до 35 видів тварин (в основному, безхребетних), екологічно з
ним пов'язаних.
Щорічно в Європі знищується близько 300 млн.
мігруючих і зимуючих птахів, 55 млн. особин болотної, польової та лісової дичини, в
США - 2,5 млн. траурних голубів, у Греції - 3 млн. шпаків, на о. Майорка --
3,5 млн. дроздів.
З розвитком сільського господарства майже повністю
зникли степи в Євразії. Варварськи руйнуються екосистеми тундри. У багатьох
районах океану перебувають під загрозою зникнення коралові рифи.
Видове різноманіття - це не тільки краса, але й
необхідний фактор стійкості біосфери. Екосистеми здатні протистояти
зовнішнім біотичних, кліматичними, токсичного впливу, якщо населені
досить великою кількістю різноманітних видів. В одному з досліджень
вчені вносили до екосистеми отруйна речовина фенол. Нейтралізують фенол тільки
бактерії, але виявилося, що нейтралізація ефективніше відбувається в екосистемі
з великою різноманітністю організмів. Зникнення видів - це непоправна
втрата для біосфери і реальна небезпека для виживання людства.
Різноманітність рослинності розширює можливості для
підтримання здоров'я. Величезна кількість ліків сьогодні виробляється з
дикорослих рослин. Ми ще не знаємо всіх корисних якостей рослин, не можемо
припустити, які з них нам знадобляться. У 1960 р. виживали тільки 20%
дітей, хворих на лейкемію, сьогодні - 80%, тому що в одному з лісових тропічних
рослин Мадагаскару вченим вдалося знайти активні речовини для боротьби з цією
хворобою. Втрачаючи видове різноманіття, ми втрачаємо своє майбутнє.
В даний час існує міжнародна програма
по збереженню рідкісних і зникаючих видів флори і фауни.
Радіоактивне зараження атмосфери. Радіоактивні
частки в атмосферних потоках швидко поширюються на великі відстані,
заражаючи грунт і водойми, рослини і тварин.
ядерного вибуху на атолах Тихого океану радіоактивний стронцій виявлявся в
молоці європейських жінок.
Радіоактивні ізотопи особливо небезпечні тим, що
здатні заміщати в організмах інші елементи. Стронцій-90 за властивостями близький
до кальцію і накопичується в кістках, цезій-137 схожий з калієм і концентрується
в м'язах. Особливо багато радіоактивних елементів накопичується в організмах
консументів, що споживали заражені рослини і тварин. Так, в організмах
ескімосів Аляски, що харчувалися м'ясом оленів, було виявлено надзвичайно багато
цезію-137. Олени харчуються лишайниками, що накопичують за свою тривалу
життя значні кількості радіоактивних ізотопів. Їх вміст у
лишайниках в тисячі разів перевищує грунтового. У тканинах оленів це кількість
зростає ще втричі, а в організмах ескімосів радіоактивного цезію виявляється
вдвічі більше, ніж у оленів. Смертність населення деяких арктичних районів
від злоякісних утворень помітно вище середньої.
Особливо довго зберігається радіація після аварій на
АЕС. Під час чорнобильської катастрофи радіоактивні частки піднялися на
висоту 6 км. Атмосферними потоками вони в перший же день розповсюдилися над
Україною і Білорусією. Потім хмара розділилося, одна його частина на другий-четвертий
день виявилася над Польщею та Швецією, до кінця тижня перетнула Європу і на 10-й
день досягла Туреччини, Лівану та Сирії. Інша частина хмари за тиждень перетнула
Сибір, на 12-й день виявилася над Японією, і на 18-й день після аварії
радіоактивна хмара відвідало Північну Америку.
Вивчення біосферних процесів допомагає зрозуміти важливість
кожної частинки створеного світу і усвідомити хворобливий стан розуму
сучасної людини. На Заході, а тепер і в Росії переважає прагнення до
комфортному американському способу життя як найвищого блага. Що ж таке
Америка очима еколога? Це 5,5% населення планети, 40% споживання природних
ресурсів і 70% шкідливих викидів! Така ціна розкішного життя за рахунок інших
народів і майбутнього планети.
Настав час тверезо поставитися до бажань все більших
матеріальних благ і зрозуміти, що стратегія індустріально-споживчого
суспільства веде нас до катастрофи. Якщо в найближчі десятиліття ми не перейдемо до
правильним духовним орієнтирів, то нашим нащадкам дістанеться проблема
виживання. Ми повинні згадати про дбайливе відношення один до одного і до нашої
рідній планеті - безцінного багатства, дане нам Творцем.
Список літератури
Для підготовки даної роботи були використані
матеріали з сайту http://www.portal-slovo.ru/
