Составляющие энергетического баланса в биосфере

Неорганический  углерод доступен только для производителей - растений и небольшой группы хемотрофных  бактерий. Вследствие процессов фото-и хемосинтеза углерод связывается в молекулы сахаров, которые спустя используются для создания других органических соединений. В таком виде углерод становится доступным для консументов и редуцентов. В результате процессов дыхания и брожения органические вещества в клетках окисляются с выделением энергии и углекислого газа, который снова или попадает в атмосферу, либо растворяется в воде, а также образует ионы карбонатов.Органическое вещество погибших особей также распадается с образованием углекислого газа. Этот процесс осуществляется редуцентами. Если по каким причинам отмершие остатки не были использованы редуцентами, они накапливаются в литосфере и со временем трансформируются в углеродсодержащие ископаемые - торф, уголь, нефть.. Атмосферный азот, находящийся в молекулярной форме, доступный только для немногочисленной группы азотфиксирующих бактерий и синезеленых водорослей. Азотфиксаторив, усваивая молекулярный азот, привлекают его в состав органического вещества своего тела, то есть переводят в органическую форму. После отмирания органический азот трансформируется в минеральную форму (аммоний, нитраты или нитриты) амонификуючимы и нитрифицирующих бактериями. Минеральный азот доступен только для растений, которые усваивают его и переводят в органическую форму (в частности в белки и нуклеиновые кислоты), и в таком виде азот становится доступным для консументов - животных и грибов. После их отмирания азот снова используется бактериями амонификаторамы и нитрификаторов. Минеральный азот используют также бактерии денитрификаторы, которые, наконец, переводят его в молекулярную форму и возвращают в атмосферу. Цикл замыкается. 

Кругооборот фосфора

В отличие  от азота, источником фосфора является не атмосфера, а земная кора. В процессе выветривания горных пород фосфор переходит  в почвенный раствор и становится доступным для растений. Он входит прежде в состав нуклеиновых кислот, аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ), фосфолипидов. С этими органическими веществами фосфор передается цепями питания от продуцентов к консументов и возвращается в почву в виде органических остатков и продуктов жизнедеятельности. В результате процессов минерализации, осуществляемые бактериями-редуцентами, фосфор снова переходит в неорганические формы и становится доступным для растений.

Однако  в природе зачастую именно недостаток фосфора сдерживает развитие биоты. С одной стороны, фосфорные соединения быстро вымываются в Мировой океан. Этому способствуют процессы эрозии почвы. Много фосфора выносится в океан и с неочищенными сточными водами. В океане этот фосфор частично используется микро-и макроскопическими водорослями, а затем потребляется морскими консументами и редуцентами. Некоторая часть фосфора может перевидкладатися на суше. Например, помет морских рыбоядных птиц, который содержит много фосфора, накапливается в птичьих колониях и на птичьих базарах, образуя так называемое гуано - полезное ископаемое, интенсивно добывается в некоторых странах и используется для производства фосфатных минеральных удобрений (например, в Чили). Но большая часть фосфора накапливается на дне 

с отмершими  остатками морской биоты. Этот фосфор может вновь стать доступным для биоты только со временем в геологическом измерении, например после поднятия определенных участков морского дна (правда, сегодня человек уже начал разрабатывать и морские месторождения фосфоритов). Кроме того, на суше значительная часть минерального фосфора образует нерастворимые комплексы с грунтовыми частицами и становится недоступной для продуцентов, следовательно, и для других звеньев трофических цепей. Лишь некоторые почвенные грибы способны удалять фосфорные соединения из этих комплексов.

Круговорот серы.

Сера - это необходимый компонент многих органических веществ, среди которых  прежде всего следует отметить аминокислоту цистеин.

Главным источником серы является растворенные в воде продукты выветривания горных пород (чаще сульфиды железа - основной компонент колчедана) или сероводород и сернистый газ, выделяемых в атмосферу вулканами, гейзерами, горячими источниками. Сероводород, окисленный атмосферным кислородом до сернистого газа, растворяется в водяном паре атмосферы и выпадает с дождем на поверхность планеты. В состав живого вещества сера попадает путем поглощения растворенных в воде ионов сульфатов растениями-продуцентами. Затем сера в составе растительных белков цепями питания попадает в консументов и редуцентов. В анаэробных условиях (например, в болотах) редуценты разлагают белки с выделением серы в виде сероводорода, который может быть окисленный до молекулярной серы или до растворимых сульфатов и сульфидов. В такой форме сера вновь становится доступной для продуцентов.

Сегодня круговорот серы под воздействием человека претерпевает существенные изменения: почти треть серы, циркулирующей  в биосфере, попадает в атмосферу  с димогазовимы выбросами заводов, фабрик и тепловых электростанций. Эта «лишняя» сера, растворяясь в атмосфере с образованием серной и сернистой кислот, выпадает в виде кислотных дождей, приводящих к быстрой деградации многих экосистем.

Круговороты калия, магния и кальция.

Эти элементы в виде ионов попадают в живом  веществе в процессе поглощения воды растениями, а также во время употребления питьевой воды.Они выполняют разнообразные функции. Например, калий необходим для работы калий-натриевого насоса клеток, магний - обязательная составляющая хлорофилла, кальций необходим для поддержания постоянного рН цитоплазмы, является главным компонентом панцирей, домиков, скелетов многих животных.Подобно азота, фосфора и серы, эти элементы мигрируют трофическими цепями от продуцентов через консументы к редуцентов. После гибели организма они быстро переходят в водные растворы и вновь становятся пригодными для дальнейшего использования.

В морях  кальций и магний частично изымаются  из биологического круговорота и  консервируются в осадочных породах. Например, микроскопические морские водоросли кокколитофорид перевидкладають кальций в виде карбонатов на поверхности клеток, образуя так называемые кокколитов. После отмирания клеток кокколитов не успевают полностью раствориться в воде и оседают на дно, формируя меловые осадочные породы. Лишь в геологическом масштабе времени, после поднятия определенных участков дна, кальций, накопленный в мелу, высвобождается в процессе выветривания и снова становится доступным для биоты.

Великий круговорот веществ и влияние на него антропогенного фактора

Энергия Солнца и силы гравитации движут два круговороты веществ: биологический и геологический. Биологический круговорот быстрый и разомкнут: начальная и конечная звена замыкаются через доступные неорганические вещества. Геологический круговорот медленный и замкнут. Часть веществ из биологического круговорота поступает в геологический в виде отмерших остатков, образуя осадочные породы, которые со временем под действием давления, температуры и других факторов трансформируются в граниты. Тектонические поднятия вызывают вынесения части гранитных пород на поверхность. Граниты выветриваются, и, как следствие, создается фонд доступных веществ, в дальнейшем снова вовлекаются в биологического круговорота. 

Процессы  круговорота веществ в биосфере осуществляются сбалансировано.Подавляющее большинство веществ, вовлеченных в биологического круговорота, возвращается в минеральный состояние и становится доступной для повторного использования живым веществом. Лишь небольшая часть откладывается в осадочных породах, но эти потери компенсируются веществами, которые высвобождаются из горных пород в результате процессов выветривания.

Баланс  и согласованность биологического и геологического циклов достигаются  благодаря живом веществе: за счет длительных процессов видообразования  в случае появления новых ресурсов или новых условий среды и за счет формирования многочисленных прямых, обратных и косвенных связей между различными организмами и факторами среды. Обычно ускорение выветривания горных пород приводит к росту количества биогенных веществ, в свою очередь стимулирует увеличение количества живого вещества и в конце концов повышает интенсивность процессов вынесения веществ в Мировой океан. Это приводит к интенсивному накоплению донных осадков. Количество доступных веществ в биосфере начинает быстро уменьшаться. Биосфера переходит на «голодный» режим, сопровождающийся массовым вымиранием видов, усилением конкурентной борьбы за ресурсы и ускорением процессов образования новых, более конкурентоспособных и «экономных» видов. Однако вымирание происходит гораздо быстрее, чем видообразования. Примером могут служить каменноугольный и меловой периоды, когда чрезвычайно быстро накапливались осадочные породы в результате катастрофического вымирания многих видов палеозойской и ранньомезозойськои флоры и фауны. Вымирание завершалось появлением на планете новых классов и типов (отделов) животных и растений. Еще продолжаются дискуссии о причинах нарушения баланса между биологическим и геологическим крутообигамы, однако катастрофические последствия этого и медленные темпы их устранения очевидны.

Сегодня ситуация аналогичная, но, в отличие  от предыдущих эпох, причина ее известна: это деятельность человека - так называемый антропогенный фактор 

Во-первых, это довольно сильное искусственное  ускорение процессов выветривания осадочных и гранитных пород, связанное с добычей и переработкой полезных ископаемых, сжиганием угля, нефти, торфа, природного газа. В результате в атмосфере увеличивается содержание углекислого газа, оксидов серы, через кислотные дожди уменьшается рН почвы, что приводит к переходу многих элементов в растворенное состояние. Некоторые из них в больших концентрациях токсичны и опасны для живого (например, тяжелые металлы - медь, цинк, свинец). Процессы круговорота веществ в биологическом цикле замедляются - ведь гибнут носители живого вещества. Но чем больше элементов переходит в раствор, тем больше их вымывается в Мировой океан. Ускоренные темпы гибели биоты, замедленные темпы повторного использования доступных минеральных веществ, рост скорости их вымывание вызывают переобогащения Мирового океана биогенными элементами. Вследствие этого учащаются вспышки «цветение» океана микроскопическими водорослями, которые нередко бывают токсическими и подавляют развитие консументов, которые их потребляют. Так, по сравнению с прошлыми веками частота вспышек «цветения» в Мировом океане возросла в 50-130 раз! Все это ускоряет процессы извлечения из биосферы доступных биогенных веществ их консервации в донных отложениях.

Во-вторых, человек в процессе своей хозяйственной деятельности создает многочисленные вещества (например, пластмассы), которые в дальнейшем не могут быть ни использованы продуцентами, ни разложены доступные минеральных веществ редуцентами. Они образуют особую группу антропогенных «осадочных» пород - отходы нашей цивилизации, археологи почему-то назвали «культурным слоем». Эти отходы итоге будут трансформированы в литосфере в граниты и затем в процессе выветривания снова станут доступными для живого вещества, но произойдет это в геологических измерениях времени - через миллионы лет. Поэтому есть реальная угроза того, что доступные ресурсы биосферы могут быть переработаны на отходы быстрее, чем завершится цикл геологического круговорота. Что в этом случае произойдет с биосферой (в том числе и с человеком), предугадать несложно.