Усі речовини планети перебувають у процесі круговороту. Сонячна енергія викликає на Землі два круговороти речовин: великий (геологічний, біосферний)і малі (біологічні).

Великий кругообіг речовин у біосфері характеризується двома важливими моментами: він здійснюється протягом усього геологічного розвитку Землі і є сучасним планетарним процесом, що бере провідну участь у подальший розвитокбіосфери.

Геологічний кругообіг пов'язаний з утворенням та руйнуванням гірських порід та подальшим переміщенням продуктів руйнування - уламкового матеріалу та хімічних елементів. Значну роль у цих процесах відігравали і продовжують відігравати термічні властивості поверхні суші та води: поглинання та відбиття сонячних променів, теплопровідність та теплоємність. Нестійкий гідротермічний режим поверхні Землі разом із планетарною системою циркуляції атмосфери зумовлював геологічний кругообіг речовин, який на початковому етапі розвитку Землі, поряд з ендогенними процесами, був пов'язаний із формуванням континентів, океанів та сучасних геосфер. Зі становленням біосфери в великий кругообігувімкнулися продукти життєдіяльності організмів. Геологічний кругообіг постачає живим організмам елементи живлення та багато в чому визначає умови їх існування.

Головні хімічні елементи літосфери: кисень, кремній, алюміній, залізо, магній, натрій, калій та інші – беруть участь у великому кругообігу, проходячи від глибинних частин верхньої мантії до поверхні літосфери. Магматична порода, що виникла при кристалізації

магми, надійшовши поверхню літосфери з глибин Землі, піддається розкладанню, вивітрюванню у сфері біосфери. Продукти вивітрювання переходять у рухомий стан, зносяться водами, вітром у знижені місця рельєфу, потрапляють у річки, океан та утворюють потужні товщі осадових порід, які згодом, занурюючись на глибину в областях з підвищеною температурою та тиском, піддаються метаморфозу, тобто. "переплавляються". При цій переплавці виникає нова метаморфічна порода, що надходить у верхні горизонти земної кори і знову входить у кругообіг речовин (Рис. 32).

Мал. 32. Геологічний (великий) кругообіг речовин

Найбільш інтенсивному і швидкому кругообігу піддаються легкорухливі речовини - гази та природні води, що становлять атмосферу та гідросферу планети. Значно повільніше робить кругообіг матеріал літосфери. Загалом кожен кругообіг будь-якого хімічного елемента є частиною загального великого круговороту речовин на Землі, і всі вони тісно пов'язані між собою. Жива речовина біосфери в цьому кругообігу виконує велику роботу з перерозподілу хімічних елементів, безперервно циркулюючих в біосфері, переходячи з зовнішнього середовища в організми і знову зовнішнє середовище.

Малий, або біологічний, кругообіг речовин- це

циркуляція речовин між рослинами, тваринами, грибами, мікроорганізмами та ґрунтом. Суть біологічного круговороту полягає у перебігу двох протилежних, але взаємопов'язаних процесів – створення органічних речовин та їх руйнування. Початковий етапвиникнення органічних речовин зумовлений фотосинтезом зелених рослин, т. е. утворенням живої речовини з вуглекислого газу, води та простих мінеральних сполук з використанням енергії Сонця. Рослини (продуценти) вилучають із ґрунту в розчині молекули сірки, фосфору, кальцію, калію, магнію, марганцю, кремнію, алюмінію, цинку, міді та інших елементів. Рослинноядні тварини (консументи I порядку) поглинають сполуки цих елементів у вигляді їжі рослинного походження. Хижаки (консументи II порядку) харчуються рослиноїдними тваринами, споживаючи їжу складнішого складу, що включає білки, жири, амінокислоти та інші речовини. У процесі руйнування мікроорганізмами (редуцентами) органічних речовин відмерлих рослин і останків тварин, у ґрунт і водне середовище надходять прості мінеральні сполуки, доступні для засвоєння рослин, і починається наступний виток біологічного круговороту (Рис. 33).

Кругообіг сірки та фосфору – типовий осадовий біо-геохімічний цикл. Такі цикли легко порушуються від різного роду впливів і частина матеріалу, що обмінюється, виходить з круговороту. Повернутися знову в кругообіг вона може лише в результаті геологічних процесів або шляхом вилучення живою речовиною біофільних компонентів.

Кругообіг речовин та перетворення енергії забезпечують динамічну рівновагу та стійкість біосфери в цілому та окремих її частин. При цьому в загальному єдиному кругообігу виділяються кругообіг твердої речовини і води, що відбувається в результаті дії абіотичних факторів (великий геологічний кругообіг), а також малий біотичний кругообіг речовин у твердій, рідкій та газоподібній фазах, що відбувається за участю живих організмів.

Кругообіг вуглецю. Вуглець є одним з найбільш, напевно, часто згадуваних хімічних елементів при розгляді геологічних, біологічних, а в Останніми рокамита технічних проблем.

Кругообіг речовин - це багаторазова участь речовин у процесах, що протікають в атмосфері, гідросфері, літосфері, в тому числі і тих шарах, що входять в біосферу планети. При цьому виділяють два основні круговороти: великий (геологічний) і малий (біогенний та біохімічний).

Геологічний та біологічний кругообігі значною мірою замкнуті, чого не можна сказати про антропогенний кругообіг. Тому часто говорять не про антропогенний кругообіг, а про антропогенний обмін речовин. Незамкнутість антропогенного круговороту речовин призводить до виснаження. природних ресурсівта забруднення природного середовища- основним причин всіх екологічних проблемлюдства.

Кругообіги основних біогенних речовин та елементів. Розглянемо кругообіг найбільш значущих для живих організмів речовин і елементів (рис. 3-8). Кругообіг води відноситься до великого геологічного; а кругообіги біогенних елементів (вуглецю, кисню, азоту, фосфору, сірки та інших біогенних елементів) - до малого біогеохімічного.[...]

Кругообіг води між сушею та океаном через атмосферу відноситься до великого геологічного кругообігу. Вода випаровується з поверхні Світового океану і переноситься на сушу, де випадає у вигляді опадів, які знову повертаються в океан у вигляді поверхневого і підземного стоку, або випадає у вигляді опадів на поверхню океану. У кругообігу води Землі щорічно бере участь понад 500 тис. км3 води. Кругообіг води загалом відіграє основну роль у формуванні природних умов на нашій планеті. З урахуванням транспірації води рослинами та поглинання її в біогеохімічному циклі весь запас води на Землі розпадається і відновлюється за 2 млн років.

Кругообіг фосфору. Переважна більшість фосфору міститься у гірських породах, що утворилися минулі геологічні епохи. У біогеохімічний кругообіг фосфор включається в результаті процесів вивітрювання гірських порід.

Кругообіги газового типубільш досконалі, оскільки мають великий обмінний фонд, отже здатні до швидкої саморегуляції. Кругообіги осадового типу менш досконалі, вони інертні, оскільки переважна більшість речовини міститься у резервному фонді земної кори в «недоступному» живим організмам вигляді. Такі кругообіги легко порушуються від різного роду впливів, і частина матеріалу, що обмінюється, виходить з круговороту. Повернутися знову до кругообігу вона може лише в результаті геологічних процесів або шляхом вилучення живою речовиною. Однак витягти потрібні живим організмам речовини із земної кори набагато складніше, ніж із атмосфери.

Геологічний кругообіг чітко проявляється на приклад «кругообігу води та циркуляції атмосфери. За оцінками, до половини енергії, що надходить від Сонця, витрачається на випаровування води. Її випаровування із Землі компенсується випаданням опадів. При цьому з Океану води випаровується більше, ніж повертається з опадами, а на суші відбувається зворотне – опадів випадає більше, ніж випаровується вода. Надлишки її стікають у річки та озера, а звідти – знову в Океан. У процесі геологічного кругообігу неодноразово змінюється агрегатний станводи (рідка; тверда – сніг, лід; газоподібна – пари). Найбільша циркуляція її спостерігається у пароподібному стані. Поряд із водою в геологічному кругообігу в масштабах всієї планети з одного місця в інше переносяться інші мінеральні речовини.

Кругообіг води. На початку розділу було розглянуто її геологічний кругообіг. В основному він зводиться до процесів випаровування води з поверхні Землі та Океану та випадання на них опадів. У межах окремих екосистем протікають додаткові процеси, що ускладнюють великий кругообіг води (перехоплення, евапотранспірація та інфільтрація).

Геологічні цикли. Взаємне розташування та контур континентів і океанського дна постійно змінюються. У межах верхніх оболонок Землі відбувається безперервна поступова заміна одних порід іншими, що називається великим кругообігом речовини. Геологічні процеси утворення та руйнування гір є найбільшими енергетичними процесами в біосфері Землі.

КРУГОВОРОТ РЕЧОВИН (на Землі) - багаторазово повторювані процеси перетворення і переміщення речовин у природі, що мають більш-менш циклічний характер. Загальна К.в. складається з окремих процесів (кругообіг води, азоту, вуглецю та ін. речовин та хімічних елементів), які не є повністю оборотними, оскільки відбувається розсіювання речовини, її вилучення, поховання, зміна складу тощо. Розрізняють біологічний, біоге-охімічний , геологічний К.в., а також круговороти окремих хімічних елементів (рис. 15) та води. Діяльність людини на сучасному етапірозвитку переважно підвищує інтенсивність К.в. і впливає, порівнянний за потужністю з масштабами природних планетарних процесів.

КРУГОВОРОТ БІОГЕОХІМІЧНИЙ - це переміщення та перетворення хімічних елементів через відсталу та органічну природу за активної участі живої речовини. Хімічні елементи циркулюють у біосфері різними шляхами біологічного круговороту: поглинаються живою речовиною і заряджаються енергією, потім залишають живу речовину, віддаючи накопичену енергію у зовнішнє середовище. Такі більшою чи меншою мірою замкнуті шляхи були названі В.І.Вернадським "біогеохімічними циклами". Ці цикли можна поділити на два основні типи: 1) кругообіг газоподібних речовинз резервним фондом в атмосфері або гідросфері (океан) та 2) осадовий цикл з резервним фондом у земній корі. У всіх біогеохімічних циклах активну роль відіграє жива речовина. З цього приводу В.І.Вернадський (1965, с. 127) писав: “Жива речовина охоплює і перебудовує всі хімічні процеси біосфери, ефективна його енергія велика. Жива речовина є найпотужнішою геологічною силою, яка зростає з ходом часу ”. До основних циклів можна віднести кругообіги вуглецю, кисню, азоту, фосфору, сірки та біогенних катіонів. Нижче розглянемо як приклад основні риси круговороту типових біофільних елементів (вуглецю, кисню та фосфору), що відіграють істотну роль у житті біосфери.

Геологічний кругообіг (великий кругообіг речовин у природі) - кругообіг речовин, рушійною силою якого є екзогенні та ендогенні геологічні процеси.

Через геологічні зміни лику Землі частина речовини біосфери може виключатися з цього круговороту. Наприклад, такі біогенні опади, як кам'яне вугілля, нафта на багато тисячоліття консервуються в товщі земної кори, але в принципі не виключено їх повторне включенняв біосферний кругообіг.

Знання кругообігів речовин Землі має великий практичний сенс, оскільки вони суттєво впливають життя людини і, водночас, піддаються впливу з боку людини. Наслідки цих впливів порівнювалися з результатами геологічних процесів. Виникають нові шляхи міграції елементів, з'являються нові хімічні сполуки, суттєво змінюються швидкості обороту речовин у біосфері.

Великий кругообіг речовин у природі (геологічний) обумовлений взаємодією сонячної енергіїз глибинною енергією Землі та перерозподіляє речовини між біосферою та глибшими горизонтами Землі. Цей кругообіг у системі «магматичні породи - осадові породи- метаморфічні породи (перетворені температурою та тиском) - магматичні породи» відбувається за рахунок процесів магматизму, метаморфізму, літогенезу та динаміки земної кори (рис. 6.2). Символом кругообігу речовин є спіраль: кожен новий цикл круговороту не повторює точно старий, а вносить щось нове, що з часом призводить до вельми значних змін.

Великий геологічний кругообіг залучає осадові породи вглиб земної кори, надовго виключаючи елементи, що містяться в них, з системи біологічного круговороту. У ході геологічної історії перетворені осадові породи, знову опинившись на поверхні Землі, поступово руйнуються діяльністю живих організмів, води та повітря і знову включаються до біосферного кругообігу.

Таким чином, геологічний кругообіг речовин протікає без участі живих організмів і здійснює перерозподіл речовини між біосферою і глибшими шарами Землі.

Таким чином, геологічний цикл і кругообіг гірських порід складається з: 1) вивітрювання, 2) утворення опадів, 3) утворення осадових порід, 4) метаморфізму, 5) магматизації. Вихід на денну поверхню магми та утворення магматичних порід повторює весь цикл спочатку. Повний цикл може перериватись на різних стадіях (3 або 4) у тому випадку, якщо в результаті тектонічних піднять та денудації гірські породи вийдуть на денну поверхню і зазнають повторного вивітрювання.

Велике значення має геологічна діяльність бактерій. Бактерії беруть найактивнішу участь у кругообігу речовин у природі, Всі органічні сполуки та значна частина неорганічних зазнають при цьому істотних змін. І цей кругообіг речовин є основою існування життя на Землі.

У гідросфері зупинення круговороту вуглецю пов'язане з включенням СО2 до складу СаСОз (вапняк, крейда, корали). В даному варіанті вуглець випадає з кругообігу на цілі геологічні епохи і не входить у поняття біосферного. Однак підняття органогенних порід вище рівня моря призводить до відновлення кругообігу вуглецю за рахунок вилуговування вапняків та подібних до них порід атмосферними опадами, а також біогенним шляхом - впливом лишайників, коренів рослин.

Виведення частини вуглецю з природного кругообігу екосистеми та «резервування» у вигляді викопних запасів органічної речовини в надрах Землі є важливою особливістюаналізованого процесу. У далекі геологічні епохи значна частина органічної речовини, що фотосинтезується, не використовувалася ні консументами, ні редуцентами, а накопичувалася у вигляді детриту. Пізніше шари детриту були поховані під шарами різних мінеральних опадів, де під дією високих температурі тиску за мільйони років перетворилися на нафту, вугілля та природний газ(залежно від вихідного матеріалу, тривалості та умов перебування у землі). Подібні процеси протікають і зараз, але значно менш інтенсивно. Їх результат - утворення торфу.

ЦИКЛ БІОГЕОХІМІЧНИЙ [від гр. kyklos - коло], біогеохімічний кругообіг - носять циклічний характер процеси обміну та трансформації хімічного елемента між компонентами біосфери (від неорганічної форми через живу речовину знову до неорганічної). Здійснюється з використанням переважно сонячної енергії (iфотосинтез) та частково енергії хімічних реакцій (хемосинтез). Див Кругообіг речовин. Біологічний кругообіг речовин. Геологічний кругообіг речовин.

Всі зазначені і багато інших зустрічні геологічні процеси, що залишилися «за кадром», грандіозні за своїми кінцевими результатами, по-перше, взаємопов'язані і, по-друге, є тим головним механізмом, який забезпечує розвиток літосфери, що не припиняється і до сьогодні, її участь у постійному кругообігу та перетворенні речовини та енергії, підтримує спостережуване нами фізичний стан літосфери.

Усі ці планетарні процеси Землі тісно переплетені, утворюючи загальний, глобальний кругообігречовин, що перерозподіляє енергію, що надходить від сонця Він здійснюється через систему малих кругообігів. До великих і малих кругообігів підключаються тектонічні процеси, зумовлені вулканічною діяльністю та рухом океанічних плит у земній корі. У результаті Землі здійснюється великий геологічний кругообіг веществ.[ ...]

Ґрунт є невід'ємним компонентом наземних біогеоценозів. Вона здійснює сполучення (взаємодія) великого геологічного та малого біологічного кругообігу речовин. Грунт - унікальне гГо складності речовинного складу природне освіту. Речовина грунту представлена ​​чотирма фізичними фазами: твердою (мінеральні та органічні частинки), рідкою (ґрунтовий розчин), газоподібною (ґрунтове повітря) та живою (організми). Для ґрунтів характерна складна просторова організаціята диференціація ознак, властивостей та процесів.

Завдяки невпинному функціонуванню системи «атмосфера-грунт-рослини-тварини-мікроорганізми» склався біо-геохімічний кругообіг багатьох хімічних елементів та їх сполук, що охоплюють сушу, атмосферу та внутрішньоконтинентальні води. Його сумарні характеристики можна порівняти з сумарним річковим стоком суші, сумарним надходженням речовини з верхньої мантії в біосферу планети. Саме тому жива речовина на Землі вже багато мільйонів років є фактором геологічного значення.

Біота біосфери обумовлює переважну частину хімічних перетворень планети. Звідси судження В.І.Вернадського про величезну перетворюючу геологічну роль живої речовини. Протягом органічної еволюції живі організми тисячоразово (для різних кругообігів від 103 до 105) пропустили через себе, через свої органи, тканини, клітини, кров усю атмосферу, весь обсяг Світового океану, більшу частину маси ґрунтів, величезну масу мінеральних речовин. І не тільки «пропустили, а й відповідно до своїх потреб видозмінили все земне середовище.

Зрозуміло, вичерпні та всі невідновні ресурси. До них відноситься переважна більшість копалин: гірські матеріали, руди, мінерали, що виникли в геологічній історії Землі, а також випали з біотичного круговороту і поховані в надрах продукти стародавньої біосфери - викопне паливо та карбонати осаду. Деякі мінеральні ресурсиі зараз повільно утворюються при геохімічних процесах у надрах, глибинах океану чи поверхні земної кори. Щодо корисних копалин велике значеннямає доступність і якість ресурсу, а також кількісне співвідношення межцу невідомими, але передбачуваними ресурсами (77), оціненими потенційними (77), реальними розвіданими (Р) та експлуатаційними (Е) запасами, причому зазвичай Н> П> Р> Е (рис. 6.6). [...]

Вивчення океану як фізичної та хімічної системи просувалося значно швидше, ніж його вивчення як біологічної системи. Гіпотези про походження та геологічну історію океанів, спочатку спекулятивні, набули міцної теоретичну основу.[ ...]

Живі організми є дуже потужним регулятором потоків речовини на земної поверхні, вибірково утримуючи ті чи інші елементи в біологічному кругообігу. ' Щорічно до біологічного кругообігу азоту залучається у 6-20 разів більше, ніж у геологічний, а фосфору - у 3-30 разів; в той же час сірка, навпаки, залучається в 2-4 рази більше в геологічний кругообіг, ніж у біологічний (табл. 4).

Складна система зворотних зв'язківсприяла не тільки збільшенню видової диференціації, а й формуванню певних природних комплексів, що мають специфіку в залежності від умов середовища та геологічної історії тієї чи іншої частини біосфери. Будь-яка сукупність у біосфері закономірно взаємопов'язаних організмів та неорганічних компонентівсередовища, в якому здійснюється кругообіг речовин, називається екологічною системою або екосистемою.

Синтетичні детергенти ( миючі засоби, тензиди). Складають велику групу штучних ПАР, які виробляються у всьому світі у величезних кількостях. Ці речовини у великих обсягах надходять у геологічне середовище з побутовими стічними водами. Більшість їх не відноситься до токсикантів, проте синтетичні детергенти здатні руйнувати різні екосистеми, порушувати природні процеси геохімічного круговороту речовин у ґрунтах та підземних водах.

Основна маса вуглецю акумульована в карбонатних відкладах дна океану (1,3 - 101т), кристалічних породах (1,0 1016 т), в кам'яному вугіллі і нафті (3,4 1015 т). Саме цей вуглець бере участь у повільному геологічному кругообігу. Життя Землі і газовий баланс атмосфери підтримуються що у малому (біогенному) кругообігу щодо невеликими кількостями вуглецю, що у рослинних (5 10й т) і тварин (5 109 т) тканинах. Однак у час людина інтенсивно замикає він кругообіг речовин, зокрема вуглецю. Так, наприклад, підраховано, що сумарна біомаса всіх свійських тварин уже перевищує біомасу всіх диких наземних тварин. Площі культивованих рослин наближаються до площ природних біогеоценозів, і багато культурних екосистем за своєю продуктивністю, безперервно підвищуваною людиною, значно перевершують природні.

Потрапляючи зі стічними водами у водоймища, фосфат насичує, а часом перенасичує їх екологічні системи. Назад на сушу фосфор у природних умовах повертається практично лише з послідом і після загибелі рибоїдних птахів. Абсолютна більшість фосфатів утворює донні відкладення, і кругообіг вступає у свою саму уповільнену фазу. Лише геологічні процеси, що протікають мільйони років, реально можуть підняти океанічні відкладення фосфатів, після чого можливе повторне включення фосфору в описаний кругообіг.

Величини, що характеризують річне винесення відкладень з кожного континенту, наведені в табл. 17. Легко помітити, що найбільша втрата ґрунту характерна для Азії - континенту з найдавнішими цивілізаціями та найбільш сильною експлуатацією землі. Хоча швидкість процесу мінлива, у періоди мінімальної геологічної активності накопичення розчинених мінеральних поживних речовинвідбувається на низовинах та в океанах за рахунок піднесених місцевостей. При цьому особливо важливого значення набувають місцеві біологічні механізми повернення, завдяки яким втрата речовин не перевищує їх надходження з підстилаючих порід (про це йшлося при розгляді кругообігу кальцію). Іншими словами, чим довше життєво важливі елементибудуть залишатися в цій галузі, знову і знову застосовуючись поколіннями організмів, що змінюються, тим менше нового матеріалу буде потрібно ззовні. На жаль, як ми вже помітили в розділі про фосфор, людина часто порушує цю рівновагу, зазвичай ненавмисно, а просто тому, що до кінця не розуміє всієї складності симбіозу, що розвився за багато тисячоліть між життям і неорганічною матерією. Наприклад, зараз припускають (хоча це ще не доведено), що греблі, що перешкоджають ходу лососів у річки на нерест, призводять до скорочення чисельності не тільки лосося, а й непрохідної риби, дичини і навіть зменшення продукції деревини в деяких північних областях Заходу США. Коли лососі нерестяться та гинуть у глибині материка, вони залишають там запас цінних поживних речовин, повернутий із моря. Видалення з лісу великих мас деревини (причому мінеральні речовини, що містяться в ній, не повертаються в грунт на відміну від того, що відбувається в природі, коли дерева, що впали, розкладаються), без сумніву, також збіднює нагір'я, зазвичай у ситуаціях, коли фонд поживних речовин і без того бідний.

П'ята функція - це біогеохімічна діяльність людства, що охоплює зростаючу кількість речовини земної кори для потреб промисловості, транспорту, сільського господарства. Ця функція займає особливе місце в історії земної куліі заслуговує на уважні відносини та вивчення. Таким чином, все живе населення нашої планети – жива речовина – знаходиться у постійному кругообігу біофільних хімічних елементів. Біологічний кругообіг речовин у біосфері пов'язаний з великим геологічним кругообігом (рис. 12.20).

Іншим процесом, що рушить вуглець, є утворення хумусу за допомогою сапрофагів та подальшу мінералізацію речовини під дією грибів та бактерій. Це дуже повільний процес, швидкість якого обумовлена ​​кількістю кисню, хімічним складом ґрунту, його температурою. При нестачі кисню та високій кислотності відбувається накопичення вуглецю в торфі. Аналогічні процеси у віддалені геологічні епохи сформували поклади вугілля та нафти, що зупиняло процес кругообігу вуглецю.

Як приклад розглянемо середотворчу роль лісової екосистеми. Продукція та біомаса лісу є запасами органічної речовини та накопиченої енергії, створеними у процесі фотосинтезу рослинами. Інтенсивність фотосинтезу визначає швидкість поглинання діоксиду вуглецю та виділення кисню в атмосферу. Так, при утворенні 1 т рослинної продукції в середньому поглинається 1,5-1,8 т СО2 і виділяється 1,2-1,4 т 02. Біомаса, включаючи мертву органічну речовину, - основний резервуар біогенного вуглецю. Частина цієї органічної речовини виводиться з кругообігу на довгий час, утворюючи геологічні відкладення.

Володимир Іванович Вернадський (1863-1945) - великий російський вчений, академік, засновник біогеохімії та вчення про біосферу. Його по праву відносять до найбільших універсалістів світової науки. Наукові інтереси В.І. Вернадського надзвичайно широкі. Він зробив істотний внесок у мінералогію, геохімію, радіогеологію, кристалографію; провів перші дослідження закономірностей складу, будови та міграції взаємодіючих елементів та структур земної кори, гідросфери та атмосфери. У 1923 р. сформулював теорію про провідну роль живих організмів у геохімічних процесах. 1926 р. у книзі «Біосфера» В.І. Вернадський висунув нову концепцію біосфери та ролі живої речовини в космічному та земному кругообігу речовин. Перетворення природи внаслідок людської діяльності бачаться В.І. Вернадському як сильний планетарний процес («Наукова думка як геологічне явище», 1936) і як можливість переростання біосфери в ноосферу - сферу розуму.

Основою самопідтримання життя Землі є біогеохімічні круговороти. Усі хімічні елементи, які у процесах життєдіяльності організмів, здійснюють постійні переміщення, переходячи із живих тіл до сполуки неживої природи і назад. Можливість багаторазового використання тих самих атомів робить життя Землі майже вічною за умови постійного припливу необхідної кількості енергії.

Типи кругообігів речовин.Біосфера Землі характеризується певним чином сформованим кругообігом речовин і потоком енергії. Кругообіг речовин – багаторазова участь речовин у процесах, що протікають в атмосфері, гідросфері та літосфері, у тому числі в тих шарах, що входять до складу біосфери Землі. Кругообіг речовин здійснюється при безперервному надходженні (потоку) зовнішньої енергії Сонця та внутрішньої енергії Землі.

Залежно від рушійної сили, з певною часткою умовності, усередині кругообігу речовин можна виділити геологічний, біологічний та антропогенний круговороти. До появи людини Землі здійснювалися лише перші два.

Геологічний кругообіг (великий кругообіг речовин у природі) – кругообіг речовин, рушійною силою якого є екзогенні та ендогенні геологічні процеси.

Ендогенні процеси(Процеси внутрішньої динаміки) відбуваються під впливом внутрішньої енергії Землі. Це енергія, що виділяється в результаті радіоактивного розпаду, хімічних реакцій утворення мінералів, кристалізації гірських порід і т. д. До ендогенних процесів належать: тектонічні рухи, землетруси, магматизм, метаморфізм. Екзогенні процеси(Процеси зовнішньої динаміки) протікають під впливом зовнішньої енергії Сонця. Екзогенні процеси включають вивітрювання гірських порід та мінералів, видалення продуктів руйнування з одних ділянок земної кори та перенесення їх на нові ділянки, відкладення та накопичення продуктів руйнування з утворенням осадових порід. До екзогенних процесів відносяться геологічна діяльність атмосфери, гідросфери (річок, тимчасових водотоків, підземних вод, морів та океанів, озер та боліт, льоду), а також живих організмів та людини.

Найбільші форми рельєфу (материки та океанічні западини) і великі форми (гори та рівнини) утворилися за рахунок ендогенних процесів, а середні та дрібні форми рельєфу (річкові долини, пагорби, яри, бархани та ін.), накладені на більші форми, – за рахунок екзогенних процесів. Таким чином, ендогенні та екзогенні процеси протилежні за своєю дією. Перші ведуть до утворення великих форм рельєфу, другі – їх згладжування.

Магматичні гірські породи внаслідок вивітрювання перетворюються на осадові. У рухомих зонах земної кори вони поринають углиб Землі. Там під впливом високих температур та тисків вони переплавляються і утворюють магму, яка, піднімаючись на поверхню та застигаючи, утворює магматичні породи.

Таким чином, геологічний кругообіг речовин протікає без участі живих організмів і здійснює перерозподіл речовини між біосферою та глибшими шарами Землі.

Біологічний (біогеохімічний) кругообіг (малий кругообіг речовин у біосфері) – кругообіг речовин, рушійною силою якого є діяльність живих організмів. На відміну від великого геологічного, малий біогеохімічний кругообіг речовин відбувається в межах біосфери. Головним джерелом енергії кругообігу є сонячна радіація, яка породжує фотосинтез. В екосистемі органічні речовини синтезуються автотрофами із неорганічних речовин. Потім вони споживаються гетеротрофами. В результаті виділення в процесі життєдіяльності або після загибелі організмів (як автотрофів, так і гетеротрофів) органічні речовини піддаються мінералізації, тобто перетворенню на неорганічні речовини. Ці неорганічні речовини можуть бути використані для синтезу автотрофами органічних речовин.

У біогеохімічних кругообігахслід розрізняти дві частини:

1) резервний фонд -це частина речовини, не пов'язана із живими організмами;

2) обмінний фонд –значно менша частина речовини, яка пов'язана прямим обміном між організмами та їх безпосереднім оточенням. Залежно від розташування резервного фонду біогеохімічні кругообіги можна поділити на два типи:

1) Кругообіги газового типуз резервним фондом речовин в атмосфері та гідросфері (кругообіги вуглецю, кисню, азоту).

2) Кругообіги осадового типуз резервним фондом у земній корі (кругообіги фосфору, кальцію, заліза та ін.).

Кругообіги газового типу досконаліші, оскільки мають великий обмінний фонд, отже, здатні до швидкої саморегуляції. Кругообіги осадового типу менш досконалі, вони інертні, оскільки переважна більшість речовини міститься у резервному фонді земної кори в «недоступному» живим організмам вигляді. Такі кругообіги легко порушуються від різного роду впливів, і частина матеріалу, що обмінюється, виходить з круговороту. Повернутися знову до кругообігу вона може лише в результаті геологічних процесів або шляхом вилучення живою речовиною. Однак витягти потрібні живим організмам речовини із земної кори набагато складніше, ніж із атмосфери.

Інтенсивність біологічного круговороту насамперед визначається температурою довкіллята кількістю води. Так, наприклад, біологічний кругообіг інтенсивніше протікає у вологих тропічних лісах, ніж у тундрі.

З появою людини виник антропогенний кругообіг, або обмін речовин. Антропогенний кругообіг (обмін) – кругообіг (обмін) речовин, рушійною силою якого є діяльність людини. У ньому можна виділити дві складові: біологічну,пов'язану з функціонуванням людини як живого організму, та технічну,пов'язану з господарською діяльністю людей (техногенний кругообіг).

Геологічний і біологічний круговороти значною мірою замкнуті, чого не можна сказати про антропогенний кругообіг. Тому часто говорять не про антропогенний кругообіг, а про антропогенний обмін речовин. Незамкнутість антропогенного кругообігу речовин призводить до виснаження природних ресурсів та забруднення природного середовища –основним причин всіх екологічних проблем людства.

Кругообіги основних біогенних речовин та елементів.Розглянемо кругообіги найбільш значущих для живих організмів речовин та елементів. Кругообіг води відноситься до великого геологічного, а круговороти біогенних елементів (вуглецю, кисню, азоту, фосфору, сірки та інших біогенних елементів) – до малого біогеохімічного.

Кругообіг водиміж сушею та океаном через атмосферу відноситься до великого геологічного кругообігу. Вода випаровується з поверхні Світового океану і переноситься на сушу, де випадає у вигляді опадів, які знову повертаються в океан у вигляді поверхневого і підземного стоку, або випадає у вигляді опадів на поверхню океану. У кругообігу води Землі щорічно бере участь понад 500 тис. км 3 води. Кругообіг води загалом відіграє основну роль у формуванні природних умов на нашій планеті. З урахуванням транспірації води рослинами та поглинання їх у біогеохімічному циклі весь запас води Землі розпадається і відновлюється за 2 млн. років.

Кругообіг вуглецю.Продуценти вловлюють вуглекислий газз атмосфери і переводять його в органічні речовини, консументи поглинають вуглець у вигляді органічних речовин з тілами продуцентів і нижчих консументів порядків, редуценти мінералізують органічні речовини і повертають вуглець в атмосферу у вигляді вуглекислого газу. У Світовому океані кругообіг вуглецю ускладнений тим, що частина вуглецю, що міститься в мертвих організмах, опускається на дно і накопичується в осадових породах. Ця частина вуглецю вимикається з біологічного круговороту і надходить у геологічний кругообіг речовин.

Головним резервуаром біологічно пов'язаного вуглецю є ліси, вони містять до 500 млрд. т цього елемента, що становить 2/3 його запасу в атмосфері. Втручання людини у кругообіг вуглецю (спалювання вугілля, нафти, газу, дегуміфікація) призводить до зростання вмісту СО 2 в атмосфері та розвитку парникового ефекту.

Швидкість кругообігу СО 2 тобто час, за який весь вуглекислий газ атмосфери проходить через живу речовину, становить близько 300 років.

Кругообіг кисню.Головним чином кругообіг кисню відбувається між атмосферою та живими організмами. В основному вільний кисень (0) надходить в атмосферу в результаті фотосинтезу зелених рослин, а споживається в процесі дихання тваринами, рослинами та мікроорганізмами і при мінералізації органічних залишків. Незначна кількість кисню утворюється з води та озону під впливом ультрафіолетової радіації. Велика кількість кисню витрачається на окислювальні процеси у земній корі, при виверженні вулканів тощо. Основна частка кисню продукується рослинами суші – майже 3/4, решта – фотосинтезуючими організмами Світового океану. Швидкість кругообігу – близько 2 тис. років.

Встановлено, що на промислові та побутові потреби щорічно витрачається 23% кисню, що утворюється у процесі фотосинтезу, і ця цифра постійно зростає.

Кругообіг азоту.Запас азоту (N 2) в атмосфері величезний (78% від обсягу). Проте рослини поглинати вільний азот що неспроможні, лише у зв'язаної формі, переважно у вигляді NН 4 + чи NО 3 – . Вільний азот із атмосфери пов'язують азотфиксирующие бактерії і переводять їх у доступні рослинам форми. У рослинах азот закріплюється в органічній речовині (у білках, нуклеїнових кислотах та ін) і передається по ланцюгах харчування. Після відмирання живих організмів редуценти мінералізують органічні речовини і перетворюють їх на амонійні сполуки, нітрати, нітрити, а також у вільний азот, який повертається в атмосферу.

Нітрати і нітрити добре розчиняються у воді і можуть мігрувати до підземних вод і рослин і передаватися по харчових ланцюгах. Якщо їх кількість надмірно велика, що часто спостерігається при неправильному застосуванні азотних добрив, відбувається забруднення вод і продуктів харчування, і викликає захворювання людини.

Кругообіг фосфору.Переважна більшість фосфору міститься у гірських породах, що утворилися минулі геологічні епохи. У біогеохімічний кругообіг фосфор включається в результаті процесів вивітрювання гірських порід. У наземних екосистемах рослини витягують фосфор із ґрунту (в основному у формі РВ 4 3–) та включають його до складу органічних сполук(білків, нуклеїнових кислот, фосфоліпідів та ін) або залишають у неорганічній формі. Далі фосфор передається ланцюгами харчування. Після відмирання живих організмів та з їх виділеннями фосфор повертається у ґрунт.

При неправильному застосуванні фосфорних добрив, водної та вітрової ерозії ґрунтів велика кількість фосфору видаляється з ґрунту. З одного боку, це призводить до перевитрати фосфорних добрив і виснаження запасів руд, що містять фосфор (фосфоритів, апатитів та ін.). З іншого боку, надходження з ґрунту у водоймища великих кількостей таких біогенних елементів, як фосфор, азот, сірка та ін., викликає бурхливий розвиток ціанобактерій та інших водних рослин («цвітіння» води) та евтрофікаціюводоймищ. Але більшість фосфору виноситься в море.

У водних екосистемах фосфор засвоюється фітопланктоном і передається трофічним ланцюгом аж до морських птахів. Їхні екскременти або відразу потрапляють назад у море, або спочатку накопичуються на березі, а потім все одно змиваються в морі. З морських тварин, що відмирають, особливо риб, фосфор знову потрапляє в море і в кругообіг, але частина скелетів риб досягає великих глибин, і укладений в них фосфор знову потрапляє в осадові породи, тобто вимикається з біогеохімічного круговороту.

Кругообіг сірки.Основний резервний фонд сірки знаходиться у відкладеннях та ґрунті, але на відміну від фосфору є резервний фонд та в атмосфері. Головна рольу залученні сірки до біогеохімічного кругообігу належить мікроорганізмам. Одні їх відновники, інші – окислювачі.

У гірських породах сірка зустрічається у вигляді сульфідів (FeS 2 та ін), у розчинах – у формі іона (SO 4 2–), у газоподібній фазі у вигляді сірководню (Н 2 S) або сірчистого газу (SО 2). У деяких організмах сірка накопичується в чистому виглядіі за їхнього відмирання на дні морів утворюються поклади самородної сірки.

У наземних екосистемах сірка надходить у рослини із ґрунту в основному у вигляді сульфатів. У живих організмах сірка міститься у білках, як іонів тощо. Після загибелі живих організмів частина сірки відновлюється в ґрунті мікроорганізмами до Н 2 S, інша частина окислюється до сульфатів і знову входить у кругообіг. Сірководень, що утворився, випаровується в атмосферу, там окислюється і повертається в грунт з опадами.

Спалювання людиною викопного палива (особливо вугілля), а також викиди хімічної промисловості, Приводять до накопичення в атмосфері сірчистого газу (SO 2), який реагуючи з парами води, випадає на землю у вигляді кислотних дощів.

Біогеохімічні цикли менш масштабні як геологічні й у значною мірою схильні до впливу людини. Господарська діяльність порушує їхню замкнутість, вони стають ациклічними.

Великий геологічний кругообіг речовин. Малий біологічний (географічний) кругообіг речовин

Великий геологічний кругообіг речовин зумовлений взаємодією сонячної енергії з глибинною енергією Землі та здійснює перерозподіл речовин між біосферою та глибшими горизонтами Землі. Осадові гірські породи занурюються в зону високих температур і тиску рухомих зонах земної кори. Там вони переплавляються та утворюють магму – джерело нових магматичних порід. Після підняття цих порід на земну поверхню та дії процесів вивітрювання знову відбувається трансформація їх у нові осадові породи.

Великий кругообіг включає також і кругообіг води між сушею і океаном через атмосферу. Волога, що випарувалась з поверхні з поверхні світового океану, переноситься на сушу, куди випадає у вигляді опадів, які знову в океан у вигляді поверхневого стоку та підземного. Кругообіг води відбувається і за більш простою схемою: випаровування вологи з поверхні океану - конденсація водяної пари - випадання опадів на поверхню океану. У кругообігу води щодня бере участь понад 500 тис. куб. км. води. Весь запас води Землі розпадається і відновлюється за 2 млн. років.

Малий кругообіг речовин (біогеохімічний) відбувається лише в межах біосфери. Сутність його полягає в утворенні живої речовини з неорганічних сполук в процесі фотосинтезу і перетворення органічної речовини при розкладанні знову в неорганічні сполуки. Цей кругообіг для життя біосфери - головний і є продовженням самого життя. Змінюючись, народжуючись і вмираючи, жива речовина підтримує життя на нашій планеті, забезпечуючи біогеохімічний кругообіг речовин. Головним джерелом енергії кругообігу є сонячне світлоякий забезпечує фотосинтез.

Суть біогеохімічного циклу полягає в тому, що хімічні елементи, поглинені організмом, згодом залишають і йдуть в абіотичне середовище, через деякий час вони знову потрапляють в живий організм. У біогеохімічних кругообігах прийнято розрізняти резервний фонд, або речовини, не пов'язані з організмами; обмінний фонд, обумовлений прямим обміном біогенними речовинами між організмами та його безпосереднім оточенням. Якщо ж розглядати біосферу в цілому, то можна виділити кругообіг газоподібних речовин з резервним фондом в атмосфері та гідросфері та осадовий цикл із резервним фондом у земній корі в геологічному кругообігу.

Кругообіги загалом забезпечують виконання наступних найважливіших функцій живої речовини в біосфері:

• o Газову: продукт розкладання відмерлої органіки.
• o Концентраційну: організми накопичують багато хімічних елементів.
• o Окисно-відновну: організми, що мешкають у водоймах, регулюють кислотний режим.
• o Біохімічну: розмноження, зростання та переміщення у просторі живої речовини
• o Біогеохімічну діяльність людини: залучення природних речовин для господарських та побутових потреб людини.

Єдиним на Землі процесом, який не витрачає, а накопичує сонячну енергію – це створення органічної речовини внаслідок фотосинтезу. У зв'язуванні та запасанні сонячної енергії і полягає основна планетарна функція живої речовини на Землі. Найбільш важливими біогенними речовинами є вуглець, азот, кисень, фосфор, сірка.

Сторінка 1

Великий геологічний кругообіг залучає осадові породи вглиб земної кори, надовго виключаючи елементи, що містяться в них, з системи біологічного круговороту. У ході геологічної історії перетворені осадові породи, знову опинившись на поверхні Землі, поступово руйнуються діяльністю живих організмів, води та повітря і знову включаються до біосферного кругообігу.

Великий геологічний кругообіг відбувається протягом сотень тисяч чи мільйонів років. Він полягає в наступному: гірські породи зазнають руйнування, вивітрювання і змиваються потоками води в Світовий океан. Тут вони відкладаються на дні, утворюючи осадові породи, і лише частково повертаються на сушу з організмами, витягнутими з води людиною чи іншими тваринами.

В основі великого геологічного кругообігу лежить процес перенесення мінеральних сполук з одного місця до іншого в масштабі планети без участі живої речовини.

Крім малого круговороту існує великий, геологічний кругообіг. Частина речовин потрапляє в глибинні шари Землі (через донні відкладення морів чи іншим шляхом), де відбуваються повільні перетворення з утворенням різних сполук, мінеральних та органічних. Процеси геологічного круговороту підтримуються переважно внутрішньої енергією Землі, її активного ядра. Ця ж енергія сприяє виходу речовин до Землі. Тим самим великий кругообіг речовин замикається. Він займає мільйони років.

Щодо швидкості і інтенсивності великого геологічного круговороту речовин в даний час не можна привести хоч би будь-які точні дані, існують лише наближені оцінки, і то лише для екзогенної складової загального циклу, тобто. без урахування припливу речовини з мантії в земну кору.  

Цей вуглець бере участь у великому геологічному кругообігу. Цей вуглець у процесі малого біотичного круговороту підтримує газовий баланс біосфери та життя в цілому.

Внесок біосферних і техносферних компонентів у великий геологічний кругообіг речовин Землі дуже суттєвий: відзначається постійно прогресуюче зростання техносферних компонентів за рахунок розширення сфери виробничої діяльностілюдини.

Оскільки на земній поверхні основний технобйо-геохімічний потік спрямований в рамках великого геологічного кругообігу речовин для 70 % суші в океан і для 30 % - у замкнуті безстічні депресії, але завжди від вищих позначок до нижчих, в результаті дії гравітаційних сил відповідно йде і диференціація речовини земної кори від високих позначок до низьких, від суші до океану. Зворотні потоки (атмосферне перенесення, діяльність людини, тектонічні рухи, вулканізм, міграція організмів) якоюсь мірою ускладнюють цей загальний спадний рух речовини, створюючи локальні міграційні цикли, але не змінюють його в цілому.

Кругообіг води між сушею та океаном через атмосферу відноситься до великого геологічного кругообігу. Вода випаровується з поверхні Світового океану і переноситься на сушу, де випадає у вигляді опадів, які знову повертаються в океан у вигляді поверхневого і підземного стоку, або випадає у вигляді опадів на поверхню океану. У кругообігу води Землі щорічно бере участь понад 500 тис. км3 води. Кругообіг води загалом відіграє основну роль у формуванні природних умов на нашій планеті. З урахуванням транспірації води рослинами та поглинання її в біогеохімічному циклівесь запас води Землі розпадається і відновлюється за 2 млн років.

За його формулюванням, біологічний кругообіг речовин розвивається на частині траєкторії великого, геологічного круговороту речовин у природі.

Перенесення речовини поверхневими і підземними водами - це головний за обсягом фактор диференціації суші земної кулі в геохімічному відношенні, але не єдиний, а якщо говорити про великий геологічний кругообіг речовин на земній поверхні в цілому, то в ньому дуже істотну роль відіграють і потоки, зокрема океанічний та атмосферний переноси.

Щодо швидкості й інтенсивності великого геологічного круговороту речовин нині не можна навести хоч би там не було точні дані, існують лише наближені оцінки, і те лише екзогенної складової загального циклу, тобто. без урахування припливу речовини з мантії до земної кори. Екзогенна компонента великого геологічного круговороту речовин - це процес денудації земної поверхні, що постійно йде.