Найважливішою характеристикою біосфери є протікають в ній кругообіг речовин, які обумовлені біогенними і абіогенним причинами. В даний час вони порушуються господарською діяльністю людини, що веде до порушення біосфери і може мати важкі наслідки для майбутніх поколінь землян. Розглянемо кругообіг найбільш важливих биогенов - вуглецю, кисню, азоту, води.
Це один з найважливіших біосферних кругообігів, оскільки вуглець становить основу органічних речовин. У вирі особливо велика роль діоксиду вуглецю (рис. 23).
Мал. 23. Кругообіг вуглецю в біосфері.
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 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 карбонатів і бікарбонатів. Ще більше запаси вуглецю в осадових породах - в вапняках містяться карбонати, в сланцях - кероген і т.д.
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. Незважаючи на те, що біомаса океану багато менше біомаси суші, його біологічна продукція створюється безліччю поколінь краткожівущіх водоростей (співвідношення біомаси і біологічної продукції в океані приблизно таке ж, як в прісноводної екосистемі, см. 11.1).
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 виділяють рисові поля і худобу.
Наслідки посилення парникового ефекту для біосфери неясні, найбільш ймовірний Пронози - потепління клімату. Однак оскільки «машинами» клімату є морські течії, то внаслідок їх зміни при таненні льодовиків в ряді районів можливе істотне похолодання (в тому числі в Європі в результаті зміни течії Гольфстрім). Під впливом зміни концентрації діоксиду вуглецю значно частішають великі стихійні лиха (повені, посухи і т.д.)
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.
Для того, щоб повернути круговороту вуглецю рівновагу, необхідно збільшити площу лісів і скоротити викид газів при спалюванні вуглецевих енергоносіїв.
1. Яке співвідношення кількості «живого» вуглецю на суші і в океані?
2. Яке співвідношення кількості «мертвого» вуглецю в атмосфері і в океані?
3. Яка частка «живого» вуглецю щорічно залучається до круговорот?
4. Яка частка вуглецю повертається в атмосферу редуцентамі наземних екосистем?
5. Перелічіть фактори, що порушують кругообіг вуглецю.
6. Які наслідки може мати посилення парникового ефекту?
Вода випаровується не тільки з поверхні водойм і грунтів, а й живих організмів, тканини яких на 70% складаються з води (рис. 24). Велика кількість води (близько 1/3 всієї води опадів) випаровується рослинами, особливо деревами: на творення 1 кг органічної речовини в різних районах вони витрачають від 200 до 700 л води.
Мал. 24. Кругообіг води в біосфері.
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.
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 її значної частини плівки нафти. Впливає на кругообіг води потепління клімату, яке викликається парниковим ефектом. При посиленні цих тенденцій можуть відбутися істотні зміни кругообігу, небезпечні для біосфери.
Важливу роль в річному водному балансі біосфери грає океан (табл. 15). Випаровування з його поверхні приблизно в два рази більше, ніж з поверхні суші.
Таблиця 15 Річний водний баланс Землі (по Львовичу, 1986)
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?
Циркуляція азоту в біосфері протікає за наступною схемою (рис. 25):
- 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-редуцентамі аж до відновлення молекулярного азоту, який повертається в атмосферу
Мал. 25. Кругообіг азоту в біосфері.
У морських екосистемах азотфиксаторами є ціанобактерії, що зв'язують азот в аміак, який засвоюється фітопланктоном.
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 20-50 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?
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. 26). Крім того, деяка кількість кисню утворюється у верхніх шарах атмосфери при дисоціації води і руйнуванні озону під дією ультрафіолетового випромінювання, і частина кисню витрачається на окислювальні процеси в земній корі, при вулканічних виверженнях і ін.
Мал. 26. Кругообіг кисню в біосфері.
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).
В даний час підтримується рівноважний кругообіг кисню, хоча у великих густонаселених містах з великою кількістю транспорту і промислових підприємств виникають локальні порушення.
Збереження озонового шару - одна з глобальних завдань світової спільноти. Для припинення руйнування озонового шару і його відновлення необхідно відмовитися від використання хлорвмісних речовин - хлорфторуглеродов (фреонів), які використовуються в аерозольних упаковках і холодильних установках. Необхідно також зменшення кількості вихлопних газів двигунів внутрішнього згоряння і доз азотних мінеральних добрив в сільському господарстві.
1. Назвіть основне джерело поповнення запасу кисню в атмосфері.
2. Укажітіе, 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.
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. 27).
Мал. 27. Кругообіг фосфору в біосфері.
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, але 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 фософора.
На закінчення глави необхідно сказати кілька слів про розхожому (особливо по сторінках популярних «зелених» екологічних видань) термін «ноосфера», який був незалежно впроваджений в екологічний вжиток П. Терьяром де Шарденом і В.І. Вернадським. Однак якщо Терьяр де Шарден розумів під ноосферою в першу чергу глобальний розвиток «колективного розуму», то Вернадський вважав, що цей «колективний розум» повинен перетворити біосферу, поліпшивши умови для життя людини на планеті.
Вернадський виходив з сциентистского погляду на відносини людини і природи, тобто вважав, що наука може вирішити практично будь-які проблеми аж до управління основними циклами речовин і переходу людини на «автотрофне харчування» з безпосереднім використанням сонячної енергії для виробництва продуктів харчування (минаючи посередницьку роль рослин).
Погляди Вернадського на ноосферу - приклад екологічного утопізму. Система зв'язків у біосфері ( «біосферний ринок») настільки складна, що людина не може керувати нею. Серйозні втручання в біосферні кругообіг ведуть до різкого загострення екологічної ситуації, що вже спостерігається сьогодні (руйнування озонового екрану, потепління клімату, глобальне забруднення середовища, поява нових «екологічних хвороб» і т.д.).
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 такого собі «квазіустойчівие стану» останньої, при якому зміни кругообігів речовин не перевищуватимуть порогових значень, починаючи з яких можуть статися безповоротні зміни. Це новий стан біосфери можливо при побудові світового співтовариства сталого розвитку, однак розгляд цієї проблеми лежить за рамками загальної екології.