Найважливішою функціональною характеристикою біосфери є протікають в ній кругообіг речовин, які обумовлені біогенними і абіогенним причинами. В даний час сильний вплив на них надає господарська діяльність людини, що веде до порушення біосфери і може мати важкі наслідки для майбутніх поколінь землян. Розглянемо кругообіг найбільш важливих биогенов - вуглецю, кисню, азоту, води і фосфору, а також проблему потепління клімату.
Кругообіг вуглецю. Це один з найважливіших біосферних кругообігів, оскільки вуглець становить основу органічних речовин. У вирі особливо велика роль діоксиду вуглецю (рис.).
Запаси «живого» вуглецю в складі організмів суші і океану складають, за різними даними, 550-750 Гт (1 Гт дорівнює 1 млрд т), причому 99,5% цієї кількості зосереджено на суші, решта - в океані. Крім того, в океані міститься до 700 Гт вуглецю в складі розчиненої органічної речовини.
Запаси неорганічного вуглецю значно більше. Над кожним квадратним метром суші і океану знаходиться 1 кг вуглецю атмосфери, і під кожним квадратним метром океану при глибині 4 км - 100 кг вуглецю в формі розчинених у воді карбонатів і бікарбонатів. Ще більше запасів вуглецю в осадових породах - в вапняках містяться карбонати, в сланцях - кероген і т.д.
Малюнок 7. Кругообіг вуглецю в біосфері
Приблизно 1/3 «живого» вуглецю (близько 200 Гт) циркулює, тобто щорічно засвоюється організмами в процесі фотосинтезу і повертається назад в атмосферу, причому внесок океану і суші в цей процес приблизно подібний (за деякими даними внесок суші в 2 рази вище).
До 50% (за деякими даними - до 90%) вуглецю в формі діоксиду повертають в атмосферу мікроорганізми - редуценти грунту. В цей процес рівний внесок вносять бактерії і гриби. Повернення діоксиду вуглецю при диханні всіх інших організмів, таким чином, менше, ніж при діяльності редуцентов.
Деякі бактерії крім діоксиду вуглецю утворюють метан. Виділення метану з ґрунту зростає при перезволоженні, коли створюються анаеробні умови, сприятливі для діяльності метаноутворюючих бактерій. З цієї причини різко збільшується виділення метану лісової грунтом, якщо деревостани вирубаний і внаслідок зменшення транспірації відбувається її заболочування. Багато метану виділяється з міських звалищ, рисових полів і травної системи домашньої худоби.
Наведені дані характеризують біогенний круговорот вуглецю. У колообігу беруть участь і геохімічні процеси, при яких відбувається обмін атмосферного вуглецю та вуглецю, що міститься в гірських породах. Однак даних про швидкість цих процесів немає. Думають лише, що їх інтенсивність змінювалася в історії планети, і парниковий ефект, який спостерігається сьогодні, багаторазово проявлявся в минулому при посиленні геохімічних процесів з виділенням діоксиду вуглецю, і при ослабленні процесів, які «відтягували» його з атмосфери.
Кругообіг води. Вода випаровується не тільки з поверхні водойм і грунтів, а й живими організмами, тканини яких на 70% складаються з води (рис. 35).
Малюнок 8. Кругообіг води в біосфері
Велика кількість води (близько 1/3 всієї води опадів) випаровується рослинами, особливо деревами.
Різні фракції води гідросфери беруть участь у кругообігу по-різному і з різною швидкістю. Так, повне оновлення води в складі льодовиків відбувається за 8 тис. Років, підземних вод - за 5 тис. Років, океану - за 3 тис. Років, грунту - за 1 рік. Пари атмосфери і річкові води повністю оновлюються за 10-12 діб.
Важливу роль в річному водному балансі біосфери грає океан (табл. 19). Випаровування з його поверхні приблизно в два рази більше, ніж з поверхні суші.
Річний водний баланс Землі (по Львовичу, 1986)
До розвитку цивілізації кругообіг води був рівноважним, проте в останні десятиліття втручання людини порушує цей цикл. Зокрема, зменшується випаровування води лісами через скорочення їх площі і, навпаки, збільшується випаровування з поверхні грунту при зрошенні сільськогосподарських культур. Випаровування води з поверхні океану зменшується внаслідок появи на значній частині його поверхні плівки нафти. Впливає на кругообіг води потепління клімату, яке викликається парниковим ефектом. При посиленні цих тенденцій можуть відбутися істотні зміни кругообігу, небезпечні для біосфери.
1. Який внесок в випаровування води вносить океан?
2. Який вклад в випаровування води вносять рослини?
3. З якою швидкістю здійснюється круговорот різних фракцій води?
Кругообіг азоту. Циркуляція азоту в біосфері протікає за наступною схемою (рис.):
- переклад інертного азоту атмосфери в доступні для рослин форми (біологічна азотфіксація, утворення аміаку при грозових розрядах, виробництво азотних добрив на заводах);
- засвоєння азоту рослинами;
- перехід частини азоту з рослин в тканини тварин;
- накопичення азоту в детрит;
- розкладання детриту мікроорганізмами-редуцентами, аж до відновлення молекулярного азоту, який повертається в атмосферу.
У морських екосистемах азотфиксаторами є ціанобактерії, що зв'язують азот в аміак, який засвоюється фітопланктоном.
Малюнок 9. Кругообіг азоту в біосфері
Значна кількість азоту в формі оксидів азоту надходить в атмосферу, а потім в грунт і водойми в результаті її забруднення промисловістю і транспортом (кислотні дощі). Цей азот був вилучений з атмосфери екосистемами геологічного минулого і тривалий час перебував «на депонентів» в вугіллі, газі, нафти, при спалюванні яких він повертається в кругообіг. Наприклад, в США з атмосферними опадами випадає 2050 кг / га в рік азоту, а в окремих районах емісія досягає 115 кг / га.
Однак не завжди кислотні дощі надають згубний вплив на екосистеми. Екосистеми степової зони, де ґрунти мають слаболужну реакцію, від випадання кислотних дощів не тільки не страждають, але навіть збільшують свою продуктивність за рахунок додаткового азоту.
Відновлення природного кругообігу азоту можливо за рахунок зменшення виробництва азотних добрив, різкого скорочення промислових викидів оксидів азоту в атмосферу і розширення площі посівів бобових, які симбіотичні пов'язані з бактеріями-азотфиксаторами.
1. Перерахуйте основні етапи кругообігу азоту.
2. Через які канали атмосферне азот потрапляє в екосистеми?
3. Який внесок в круговорот вносить техногенний азот?
5. Що потрібно зробити для нормалізації кругообігу азоту?
Кругообіг кисню. Кисень атмосфери має биогенное походження і його циркуляція в біосфері здійснюється шляхом поповнення запасів в атмосфері в результаті фотосинтезу рослин і поглинання при диханні організмів і спалюванні палива в господарстві людини (рис.). Крім того, деяка кількість кисню утворюється у верхніх шарах атмосфери при дисоціації води і руйнуванні озону під дією ультрафіолетового випромінювання; частина кисню витрачається на окислювальні процеси в земній корі, при вулканічних виверженнях і ін.
Цей круговорот дуже складний, так як кисень вступає в різноманітні реакції і входить до складу дуже великого числа органічних і неорганічних сполук, і уповільнений. Для повного оновлення всього кисню атмосфери потрібно близько 2 тисяч років (для порівняння: щорічно оновлюється близько 1/3 діоксиду вуглецю атмосфери).
Рис 10. Кругообіг кисню в біосфері
В даний час підтримується рівноважний кругообіг кисню, хоча у великих густонаселених містах з великою кількістю транспорту і промислових підприємств виникають локальні порушення.
1. Назвіть основне джерело поповнення запасу кисню в атмосфері.
2. Вкажіть, при яких процесах відбувається поглинання кисню з атмосфери.
3. За який час відбувається оновлення запасу кисню в атмосфері?
4. Охарактеризуйте проблему збереження озонового шару атмосфери.
Кругообіг фосфору. Про круговороті фосфору за доступний для огляду час можна говорити лише умовно. Будучи набагато важче вуглецю, кисню та азоту, фосфор майже не утворює летких сполук - він стікає з суші в океан, а повертається в основному при підйомі суші в ході геологічних перетворень. З цієї причини круговорот фосфору називають «відкритим» (рис.).
Малюнок 11. Кругообіг фосфору
Фосфор міститься в гірських породах, звідки вилуговується в грунт і засвоюється рослинами, а потім по харчових ланцюгах переходить до тварин. Після розкладання мертвих тіл рослин і тварин не весь фосфор залучається в круговорот, частина його вимивається з грунту в водойми (річки, озера, моря). Там фосфор осідає на дно і майже не повертається на сушу, лише невелика кількість його повертається з виловленої людиною рибою або з екскрементами птахів, що харчуються рибою. Скупчення екскрементів морських птахів служили в недалекому минулому джерелом найціннішого органічного добрива - гуано, однак, в даний час ресурси гуано практично вичерпані.
Відтік фосфору з суші в океан посилюється внаслідок зростання поверхневого стоку води при знищенні лісів, розорювання грунтів та внесенні фосфорних добрив. Оскільки запаси фосфору на суші обмежені, а його повернення з океану проблематичний (хоча в даний час активно досліджуються можливості його видобутку з дна океану), в майбутньому в землеробстві можливий гострий дефіцит фосфору, що викличе зниження врожаїв (в першу чергу зерна). Тому необхідна економія ресурсів фосфору.
1. Чому круговорот фосфору називається відкритим?
2. Де сконцентровані запаси фосфору?
3. Чому фосфор концентрується на дні океанів?
4. Які наслідки для сільського господарства матиме вичерпання запасів фосфору?
Ноосфера і техносфера
Біосфера змінюється під впливом розвитку цивілізації. На початку ХХ століття В.І. Вернадський сформулював гіпотезу ноосфери як рівноважної біосфери, перетвореної розумом людини. Однак реалії розвитку цивілізації в ХХ столітті призвели не до формування гармонійної біосфери, а до перетворення значної її частини в техносферу, тобто біосферу, порушену людиною. У цьому розділі ми познайомимося з гіпотезою В.І. Вернадського і з основними рисами біосфери на рубежі тисячоліть.
Гіпотеза ноосфери. За В.І. Вернадського, «думка людська» - планетарне явище, яке розвивається в напрямку пошуку шляхів гармонізації відносин людини і природи шляхом регулювання основних кругообігів речовин. Важлива складова цієї гіпотези - перехід людини на автотрофне харчування: заміна ланцюга «сонце - рослина (тварина) - людина» ланцюгом «сонце - завод - людина». Виробництво штучної їжі, на думку Вернадського, має зняти проблему голоду і забезпечити продовольством 30 млрд. Чоловік. Сьогодні ця гіпотеза наражається на гостру критику.
По-перше, «думка людська», на жаль, розвивається в напрямку, протилежному прогнозом Вернадського. Вона вишукує не шляхи гармонізації відносин Людини і Природи, а розробляє дедалі витонченіші технології експлуатації природи.
По-друге, автотрофне харчування людини неможливо в принципі, тому що отримувати штучну їжу людина не навчився і мабуть не навчиться. Втім, якби це все-таки стало можливим, то не зробив би відносини людини і природи гармонійними. Зняття продовольчого обмеження з росту народонаселення призвело б до руйнування біосфери через перевищення допустимих меж споживання всіх інших ресурсів - води, енергоносіїв, мінеральних речовин, біологічного різноманіття та т. Д. По-третє, утопічна ідея заміни природних процесів саморегуляції в біосфері системою штучного управління. «Дуже великі системи», до числа яких належить біосфера, практично не моделюються. І тому наслідки великих втручань людини в природу не прогнозуються, приклад тому - трагедія Аралу. Біосфера подібна грандіозного ринку, в якому стохастически регулюються потоки речовини і енергії. Його заміна на «планову економіку» також безперспективна, як планове управління економікою великих країн. Порушивши «біосферний ринок», людина загине.
Таким чином, людина може зберегтися тільки разом з біосферою, вмонтувавши свою господарську діяльність в біосферні цикли. М.М. Моїсеєв писав про можливість «коадаптаціі людини і біосфери» і формування на цій основі її такого собі «квазіустойчівие стану». При такому стані біосфери зміни кругообігів речовин не перевищуватимуть порогових значень, за якими починаються її незворотні зміни.
Техносфера. На противагу романтичної гіпотезі ноосфери В.І. Вернадського в сучасному світі сформувалася техносфера як частина біосфери, покалічена нераціональним природокористуванням. Поняття техносфери інтегрує всі розглянуті вище приклади порушень географічних оболонок Землі і біосфери в вузькому сенсі. Частка непорушених екосистем продовжує зменшуватися (табл. 31), вони займають вже менш 2/3 суші планети, а в Європі - всього 1/3.
Загальна площа, тис. Км 2