Круговороты основных элементов

Наиболее значимыми для функционирования биосферы являются круговороты основных элементов, входящих в состав живого вещества: углерода, кислорода, азота, фосфора и серы, поскольку они являются компонентами для построения основных молекул живого вещества – углеводов, липидов, белков и нуклеиновых кислот.

Углерод в биосфере представлен наиболее подвижной формой – углекислым газом. Источником первичной углекислоты биосферы является вулканическая деятельность. Миграция СО₂ в биосфере Земли протекает двумя путями. Первый путь заключается в поглощении его в процессе фотосинтеза с образованием органических веществ и в последующем захоронении их в литосфере в виде торфа и угля, горных сланцев, рассеянной органики, осадочных горных пород. По второму пути миграция углерода осуществляется созданием карбонатной системы в различных водоёмах, где СО₂ переходит в Н₂СО₃, НСО₃^1-, СО₃^2-. Затем с помощью растворённого в воде кальция (магния) происходит осаждение карбонатов СаСО₃ биогенным и абиогенным путями. Возникают мощные толщи известняков. Наряду с этим большим круговоротом углерода существует ещё ряд малых его круговоротов на поверхности суши и в океане.

Углекислый газ атмосферы поглощается в процессе фотосинтеза в дневное время, а в ночное время он выделяется растениями во внешнюю среду. С гибелью растений и животных на поверхности происходит окисление органических веществ с образованием СО₂. Особое место в современном круговороте СО₂ занимает массовое сжигание органических веществ и постепенное возрастание содержания СО₂ в атмосфере, связанное с ростом промышленного производства и транспорта.

Кислород – активный газ. Господствующей формой нахождения кислорода в атмосфере является молекула О₂. В пределах биосферы происходит быстрый обмен кислорода среды с живыми организмами или их остатками после гибели. Круговорот кислорода в биосфере весьма сложен, поскольку он вступает во множество химических соединений минерального и органического миров. Свободный кислород атмосферы является побочным продуктом процесса фотосинтеза зеленых растений. Его общее количество отражает баланс между продуцированием кислорода и процессами окисления и гниения различных веществ.

Азот. Основная часть атомов азота находится в воздухе, который на 78 % состоит из одноимённого газа (N₂). Однако растения не могут усваивать его непосредственно; для этого азот должен входить в состав ионов аммония (NH⁴⁺) или нитрата (NH^3-). К счастью, некоторые бактерии и ряд сине-зелёных водорослей способны превращать газообразный азот в аммонийную форму в ходе так называемой азотфиксации. Важнейшую роль среди азотфиксирующих организмов играют бактерии, живущие в клубеньках на корнях бобовых растений. По пищевым цепям органический азот передаётся от бобовых другим организмам экосистемы.

Когда в процессе клеточного дыхания белки и другие содержащие азот органические соединения расщепляются, азот выделяется в среду главным образом в аммонийной форме. Некоторые бактерии могут переводить ее в нитратную форму. Обе эти формы усваиваются растениями. В результате азот совершает круговорот как минеральный биоген. Однако такая минерализация обратима, поскольку другие почвенные бактерии постепенно превращают нитраты снова в газообразный азот. Правда, часть его окисляется в воздухе во время грозовых разрядов и поступает в почву с дождевой водой, но таким способом его фиксируется в 10 раз меньше. В водных экосистемах круговорот азота выглядит сходным образом, но здесь в роли основных азотфиксаторов выступают сине-зелёные водоросли.

Фосфор – он входит в состав генов и молекул, переносящих энергию внутрь клеток. В минералах фосфор содержится в виде неорганического фосфат-Иона РО₄^3-. Фосфаты растворимы в воде, но не летучи. Растения поглощают фосфат-ион из водного раствора и включают фосфор в состав различных органических соединений. По пищевым цепям он переходит от растений к другим организмам. При каждом переходе возможно окисление содержащего фосфор соединения в процессе клеточного дыхания для получения организмом энергии. В результате чего, фосфат в составе мочи или её аналога вновь поступает в окружающую среду, после чего снова может поглощаться растениями и начинать новый цикл. У фосфора нет газовой фазы и, следовательно, нет «возврата» в атмосферу. Попадая в водоёмы, фосфор насыщает, а иногда и перенасыщает экосистемы. Только небольшая его часть возвращается на сушу с помощью рыбоядных птиц. Лишь через миллионы лет океанические отложения фосфата со временем поднимаются над поверхностью воды в результате геологических процессов.

Сера представляет собой исключительно активный химический элемент и является важным составным элементом живого вещества, где большая её часть находится в виде органических соединений. Сера входит в состав некоторых БАВ, а также ряда веществ, выступающих в качестве катализаторов окислительно-восстановительных процессов в организме и активизирующих некоторые ферменты. В изверженных породах сера находится в виде сульфидных минералов; в осадочных породах содержится в глинах в виде гипсов; в ископаемых углях – в виде примесей серного колчедана или в виде сульфатов; в почве – в форме сульфатов. В связи с окислением сульфидных минералов в процессе выветривания сера в виде сульфат-иона переносится природными водами в Мировой океан. Там она поглощается морскими организмами.

Практическая часть: