Роль геохимических циклов в биосфере - Экология - Скачать бесплатно

Роль геохимических циклов в биосфере



1. Группа циклических или органогенных элементов


    Циклические или органогенные элементы имеют наибольшую суммарную  массу
в биосфере.
    В эту группу входят: H1, (Be4), B5, C6, N7, O8, F9, Na11,  Mg12,  Al13,
Si14, P15, S16, Cl17, K19,  Ca20,  Ti22,  V23,  (Cr24),  Mn25,  Fe26,  Co27,
(Ni28), Cu29, Zn30, (Ge32), As33, Se34,  Sr38,  (Zr40),  Mo42,  Ag47,  Cd48,
(Sn50), (Sb51), (Te52), Ba56, (Hf72), (W74), (Re75), Hg80), (Tl81),  (Pb82),
(Bi83).
    Для  этих  элементов  характерны  многочисленные  химические  обратимые
процессы. Геохимическая история всех  этих  элементов  может  быть  выражена
круговыми  процессами  (циклами).  Каждый  элемент  дает   характерные   для
определенной геосферы соединения, постоянно  возобновляющиеся.  После  белее
или менее продолжительных  и  более  или  менее  сложных  изменений  элемент
возвращается к первичному соединению и начинает  новый  цикл,  завершающийся
для элемента новым возвращением к первоначальному состоянию.  Этот  характер
земных химических реакций был  для  кислорода  замечен  во  второй  половине
XVIII в.; великие ученые того времени, открывшие в 1773г. земные  газы  (O2,
CO2, H2O, NH3, H2S, SO2, SO3, H2, CH4, CO, CHOH, CSO, NO2)  и  их  свойства,
предугадали эти характерные химические циклы. Имена этих ученых  Д.  Прингль
и Д. Пристлей. Затем в 1842г. два  французских  ученых   Ж.  Б.  Дюма  и  Ж.
Буссенго дали яркую картину этих циклов. В 1850-х годах К. Бишоф,  позже  Ю.
Либих и К. Мор перенесли эти  представления  на  остальное  вещество  земной
коры. С той поры наука  собрала  огромное  количество  эмпирических  фактов,
подтверждающих эти обобщения. Факты  эти,  однако,  не  были  согласованы  и
находятся в состоянии почти полного хаоса. Важное значение для  этих  циклов
живого вещества (Живое вещество – совокупность всех  организмов)  все  более
подтверждается. Это значение  живого  вещества  наблюдается  не  только  для
органогенных элементов, таких, как C, O, H, N, P,  S,  но  и  для  металлов,
как, например, для Fe, Cu, Zn, V, Mn и т.д., а  также  для  всех  химических
элементов этой группы.
    Элементы  этой  группы  образуют  циклы,  характеризуемые   химическими
соединениями, молекулами или кристаллами. Эти циклы обратимы лишь в  главной
части  атомов,  часть  же  элементов  неизбежно  и  постоянно   выходит   из
круговорота. Этот выход  закономерен,  т.е.  круговой  процесс  не  является
вполне обратимым.
    Среди форм такого выхода  из  цикла  особое  значение  имеет  рассеяние
элемента, его выход в форме  свободных  атомов.  Быть  может,  элемент  этим
путем выходит из цикла, иногда навсегда. Все же ясно,  что  если  даже  наши
будущие открытия более или менее  изменят  наши  современные  представления,
они  не  поколеблют  основного  эмпирического  обобщения  –  господствующего
значения химических соединений и обратимых циклов в  истории  главной  массы
земной коры.
    Циклические элементы входят и играют  видную  роль  в  водном  аппарате
земной коры,  т.е.  входят  в  водные  растворы  (в  ионы),  дают  минералы,
образовавшиеся водным путем. Только цирконий и гафний, по-видимому,  в  этом
отношении стоят особняком. Те же Zr и Hf не  входят  в  живое  вещество;  не
найден в нем и германий, но германий, судя по его водной  истории,  будет  в
нем найден.


2. Геохимический круговорот углерода


    Биосфера представляет оболочку жизни  –  область  существования  живого
вещества.  Весь  ее  углерод  им  захвачен.  Все  углеродистые   соединения,
находящиеся и образующиеся в ней, с ним каким-нибудь  образом  связаны.  Все
фреатические  углеродистые  минералы,  попадающие   в   нее   в   результате
геологических процессов, происходят  в  своей  основе  из  живого  вещества,
представляют  метаморфизованные  продукты   вадозных   минералов,   когда-то
связанных с жизнью.
    CO2  –  единственный  ювенильный  и  фреатический   минерал   углерода,
проникающий в большом количестве в биосферу.
    Важно отметить, что на земной поверхности существует большое количество
химических процессов, связанных с синтезом угольной  кислоты.  Эти  процессы
находятся в очевидной связи с живым веществом, так как  они  все  образуются
под влиянием свободного кислорода.
    Свободный  кислород  окисляет  углеродистую,  даже  графитовую,   пыль,
большие  количества  угольной  кислоты  образуются  в  среде  самого  живого
вещества под влиянием процессов дыхания.
    Углеводороды (главным образом метан), которые, несомненно, приходят  из
глубоких  слоев  земной  коры,  только  отчасти  ювенильного  происхождения.
Большая часть их массы образуется в вадозных  областях:  таковы  газы  болот
(биохимический продукт). Другая  создается  в  стратисфере,  например  газы,
выделяющиеся в каменноугольных копях.
    Но такое  объяснение,  едва  ли  приложимо  целиком  к  газовым  струям
углеводородов, огромная масса которых непрерывно сейчас выделяется  бурением
и в меньшем количестве извека выделяется в природных условиях.
    Часть  их  в  значительной  мере  генетически   связана   с   нефтяными
месторождениями. Это газовая фаза  нефтей.  Другая  должна  быть  увязана  с
рассеянным органическим веществом осадочных пород, т.е. в значительной  мере
имеет сложное происхождение, выражаемое схемой:

    Морская жизнь > морской ил > осадочные породы > газы.

    Переход  в  газы  должен  происходить  в  процессах  биохимического   и
безжизненного изменения в бескислородной среде.
    Но все же часть метана может быть связана с  магматическими  очагами  и
является составной частью глубоких подземных атмосфер состава H2O-CH4.
    Генезис этих атмосфер должен быть сложный, и пары воды  и  углеводороды
могут быть разного происхождения.



                         Геохимический цикл углерода



       живое вещество
Биосфера          CH4             CO2
                                живое
 CO2

                                                вещество
           карбонаты


                                         карбонаты

                           CH4
                      угли                                         нефти

Фреатические                 карбонаты
                 самородный углерод
   оболочки

                   C

                                    карбонаты
                                           (графит)
         CO2


                    карбонаты

Ювенильные      CH4                  CO2                         CO
              самородный (графит)
оболочки



                                          каолиновые

                                     алюмосиликаты

                                    металлические

             С
                                         карбиды

                 карбоносиликаты
         CO2


                    карбиды

                     карбонаты


                           CO2             металлические карбонаты
                                                алмаз



3. Жизненный цикл углерода


    Жизненный цикл углерода – равновесие между угольной  кислотой  и  живым
веществом.
    Наиболее выдающейся  чертой  жизненного  цикла  является  его  неполная
обратимость, так как он возвращает окружающей среде лишь  часть  поглощенной
жизнью угольной кислоты. Часть ее атомов всегда  задерживается  в  жизненном
цикле,  другая  выделяется  в  виде  углеродных  биогенных  минералов.  Этот
последний углерод покидает геохимический цикл и возвращается в  него  иногда
лишь через геологически долгое время.
    Главными  группами  таких  биогенных  углеродных   минералов   являются
карбонаты извести, каменные угли, нефти и битумы. Все  остальные  происходят
из них или образуют незначительные по сравнению с ними массы.


                           Жизненный цикл углерода



                                           CO2               живое
Вадозные                                              вещество
                                                                свободный
области

кислород



                   CO2                              карбонаты
            каменные                           нефти и
                                                        CaCO3
                      угли                                битумы

Фреатические
области

                                 ювенильная
                    графит (элементарный углерод)
                                 углекислота


    Количества углерода, потерянные для жизненного цикла в виде карбонатов,
каменного  угля,  нефти,  соответствуют  лишь  незначительной  части  общего
органического  углерода.  Живое  вещество  удерживает  углерод  в  жизненном
цикле. Это наиболее характерная черта геохимии этого элемента.
    Большая  часть  угольной  кислоты,  поглощенная   организмами,   всегда
задерживается  живым  веществом.  Даже  когда  угольная  кислота  выделяется
одними из этих организмов, она мгновенно  захватывается  другими  (например,
дыхание почвы).
    Этот факт был установлен великим натуралистом К. М. фон Бэром в  1838г.
как закон бережливости природы по отношению к живому  веществу.  К.  М.  фон
Бэр заметил, что переход органического углерода  в  углерод  неорганический,
т.е. создание вадозных углеродистых минералов,  совершается  с  чрезвычайной
медленностью. Углерод выходит из жизненного цикла:

    CO2                    живое вещество,

    лишь с большим трудом и в малом количестве.
    Но все же он частью покидает цикл, и цикл,  таким  образом,  становится
необратимым. Это факт, имеющий огромное значение в истории Земли.


4. Биологический круговорот атомов


    Повсеместно  в  биосфере  наряду  с  образованием  живого  вещества   и
аккумуляцией энергии  протекает  и  противоположный  процесс  –  превращение
сложных органических соединений в простые минеральные CO2, H2O, NH3  и  т.д.
Эта минерализация идет и в самих растениях,  которые  при  дыхании  окисляют
органические  вещества  до  CO2  и  H2O.  Гораздо  энергичнее   минерализуют
органические вещества животные и еще более энергично – микроорганизмы.
    Противоположные процессы образования и разрушения органических  веществ
в биосфере не могут существовать  один  без  другого,  они  образуют  единый
биологический круговорот атомов. Рассмотрим этот круговорот с  точки  зрения
трех известных нам  критериев:  превращения  вещества,  энергии,  накопления
информации.
    Продолжительность отдельных циклов  биологического  круговорота  атомов
очень различна. Немногие недели живут  растения-эфемеры,  образующие  весной
пышный ковер в пустынях Средней Азии. И за это время они  успевают  накопить
органическое вещество, которое в начале  лета,  после  их  смерти,  в  почве
быстро разлагается до исходных продуктов – CO2, H2O и т.д. Но уже  в  лесном
ландшафте часть атомов углерода, заключенных в древесине, окислится  до  CO2
только после смерти деревьев, т.е. через десятки  или  сотни  лет.  Наконец,
если  органическое  вещество  будет  захоронено  в   осадочных   породах   и
превратится в уголь, окисление которого произойдет  только  через  несколько
геологических периодов, круговорот углерода растянется на миллионы лет.


                   Круговорот углерода в биосфере (рис.1)



    Круговороты  не  замкнуты.  Каждый  новый  цикл  не   является   точным
повторением предыдущего, природа не  остается  неизменной.  Вот  характерный
пример.  Представим  себе  озеро  в  лесной  зоне  с  травами,  растущими  в
прибрежной полосе (осоки, тростники и др.),  богатое  рыбой.  После  каждого
годичного  цикла  круговорота  часть  атомов  углерода,  водорода  и  других
элементов, заключенных в органических веществах, не переходит в  минеральные
соединения, а  захороняется  на  дне  озера  в  форме  органического  ила  –
сапропеля. Постепенно озеро мелеет, наконец,  наступает  момент,  когда  его
котловина  полностью   зарастает   травами   и   заполняется   органическими
остатками, озеро превращается в болото.  Такова  судьба  большинства  лесных
озер, история многих болот.
    Можно сказать, что поступательное развитие  в  биосфере  осуществляется
через систему круговоротов.
    В процессе минерализации органических  веществ  освобождается  энергия,
которая была поглощена при  фотосинтезе.  Она  освобождается  в  виде  тепла
(вспомним,  например,  разогревание  и  даже   самовозгорание   недостаточно
высушенного сена), но главным образом в виде химической энергии,  носителями
которой   являются   природные   воды.    Обогащаясь    такими    продуктами
минерализации, как CO2, гумусовые кислоты, NH3, SO2-4, H2S, воды  становятся
химически высокоактивными,  они  разрушают  («выветривают»)  горные  породы.
Таким  образом,  с  энергетической  точки  зрения  биологический  круговорот
атомов переводит энергию солнечных лучей в  другие  виды  энергии,  за  счет
которых в биосфере выполняется большая  работа.  Особенно  следует  отметить
превращение солнечной энергии в химическую энергию природных вод и газов.
    Нетрудно убедиться также, что в ходе биологического круговорота  атомов
происходит передача информации, создание новой информации, ее переработка  и
захоронение,  т.е.  это  также  и  информационный  процесс.  Чем  энергичнее
протекает  биологический   круговорот   атомов,   тем   большее   количество
информации при этом перерабатывается.
    Положение о круговороте атомов  считается  одним  из  основных  законов
геохимии биосферы  –  законом  биологического  круговорота  атомов,  который
сводится  к  следующему  –  в  биосфере  атомы  участвуют  в   биологических
круговоротах, в ходе которых они поглощаются живым  веществом  и  заряжаются
энергией, затем покидают  живое  вещество,  отдавая  накопленную  энергию  в
окружающую среду. За  счет  этой  биогенной  энергии  осуществляются  многие
химические реакции. Главными носителями энергии являются природные  воды.  В
результате   биологического   круговорота   атомов   происходит    изменение
химического  состава  биосферы,  само   поступательное   развитие   биосферы
осуществляется через систему круговоротов.

                   Круговорот углерода в биосфере (рис.2)


    Отжившие растения и животные разлагаются микроорганизмами, в результате
чего углерод мертвого органического вещества окисляется до углекислого  газа
и снова попадает в атмосферу. Подобный круговорот углерода совершается  и  в
водной среде. Фиксированный в растениях углерод  в  значительном  количестве
потребляется животными, которые, в свою очередь, при дыхании выделяют его  в
виде углекислого газа.  Согласно  имеющимся  данным,  все  зеленые  растения
Земли ежегодно извлекают из атмосферы до 300 млрд. т. углекислого газа  (100
млрд. т. углерода), что совпадает  с  итоговым  поступлением  этого  газа  в
атмосферу  от   разных   источников   –   дыхания   растений   и   животных,
промышленности,  транспорта  и  т.п.  При  этом  годичный  круговорот  массы
углерода на суше определяется как массой составляющих его звеньев  биосферы,
так и количеством углерода, захватываемого каждым звеном (в тоннах за год):


|Суммарный захват фотосинтезом         |60?109                                |
|Возврат от дыхания в процессе         |48?109                                |
|разложения органического вещества     |                                      |
|Поступление в гумосферу и консервация |10?109                                |
|в многолетних фитоценозах             |                                      |
|Захоронение в осадочной толще         |1?109                                 |
|литосферы, включая реакции углекислого|                                      |
|газа с горными породами               |                                      |
|Поступление от сжигания топлива       |4?109                                 |

    Круговорот углерода в гидросфере является более сложным по сравнению  с
континентальным, поскольку возврат этого элемента в форме  углекислого  газа
зависит от поступления кислорода в верхние слои воды как из  атмосферы,  так
и из нижележащей толщи.  В  целом  показатели  годичного  круговорота  массы
углерода в Мировом океане почти в 2 раза ниже, чем на суше:

|Суммарный захват в процессе           |30?109                                |
|фотосинтеза                           |                                      |
|Возврат в водную среду от дыхания и   |26?109                                |
|разложения органического вещества     |                                      |
|Выпадение в донный осадок             |1,5?109                               |
|Поступление из атмосферы от сжигания  |1?109                                 |
|топлива                               |                                      |
|То же с речным стоком                 |0,6?109                               |
|Переход в растворенное органическое   |0,9?109                               |
|вещество                              |                                      |

    Между сушей и Мировым океаном происходит постоянная миграция  углерода.
Преобладает  вынос  этого  элемента  в  форме  карбонатных  и   органических
соединений с суши в океан. Поступление углерода из Мирового океана  на  сушу
совершается  в  несравненно  меньших  количествах,  и  то   лишь   в   форме
углекислого газа, диффундирующего  в  атмосферу  и  переносимого  воздушными
течениями.
    Суммарное количество углекислого газа в атмосфере планеты составляет не
менее  2,3?1012  т.,  в  то  время  как  содержание  его  в  Мировом  океане
оценивается в 1,3?1014  т.  В  литосфере  в  связанном  состоянии  находится
2?1017  т.  углекислого  газа.  Значительное  количество  углекислого   газа
содержится и в живом веществе  биосферы  (около  1,5?1012  т.),  т.е.  почти
столько, сколько во всей атмосфере. Углекислый газ  атмосферы  и  гидросферы
обменивается и обновляется живыми организмами за 395 лет.


6. Круговорот воды


    Наряду с биологическим  круговоротом  атомов  в  биосфере  протекает  и
другой грандиозный круговорот  –  воды.  Это  и  водообмен  океаны-материки,
когда  вода,  испаряясь  с  поверхности  океана,  переносится   ветрами   на
континенты и с  речным  стоком  снова  возвращается  в  океан,  и  маленькие
круговороты отдельного ландшафта,  когда  испарение  воды  в  теплую  погоду
приводит к облачности и выпадению осадков.  С  энергетической  точки  зрения
здесь  во  всех  случаях  имеет  место  одна  и  та  же  последовательность:
солнечная энергия, затраченная  на  испарение  воды,  заряжает  ее  молекулы
энергией, которая после  конденсации  паров  воды  и  выпадения  осадков  на
земную поверхность реализуется в кинетической энергии рек и ручьев. Так  же,
как и для отдельного живого  организма,  геологический  эффект  деятельности
каждой дождевой