Особенности биохимических круговоротов веществ в биосфере

Для того, чтобы вернуть круговороту углерода равновесие, необходимо увеличить площадь лесов и сократить выброс газов при сжигании углеродистых энергоносителей.

 Круговорот азота. Движение азота представляет собой достаточно

сложный и отличительный от круговорота других биогенов процесс,

так как включает в себя газообразную и минеральную фазу. Атмосфера

содержит 78% азота (Ng). При всей огромной значимости азота для

жизнедеятельности живых организмов они не могут непосредственно

потреблять этот газ из атмосферы. Растения усваивают ионы (NH'4) или нитрата (NO з). Для того чтобы азот преобразовался в эти

формы, необходимо участие некоторых бактерий или синезеленых

водорослей (цианобактерий). Процесс превращения газообразного азота (N&g ; в аммонийную форму носит название азотфиксации. Важнейшую роль среди азотфиксирующих микроорганизмов играют бактерии

из рода Rhizobiium, которые образуют симбиотические связи с бобовыми

растениями. Среди последних наибольшее значение имеют клевер и

люцерна. Азотфиксирующие бактерии, создавая форму азота, которая

усваивается растениями, за счет симбиотического взаимодействия

позволяют накапливаться азоту в наземных и подземных частях растений; к примеру за год на одном гектаре клевера или люцерны накапливается от 150 до 400 кг азота. Сами азотфиксирующие

микроорганизмы, среди которых есть виды, синтезирующие сложные

протеины, отмирая, обогащают почву органическим азотом. При этом

за год в почву поступает около 25 кг азота на 1 га (И.А. Шилов, 2000).

Экологически безопасной считается величина эмиссии азота 10-30 кг/га в год. При более высоких нагрузках происходят значительные изменения в экосистемах: почвы подкисляются, происходит выщелачивание питательных элементов в глубокие горизонты, возможно усыхание древостоев и массовое развитие заносных видов-нитрофилов. Кроме того, высокое содержание азота в растениях, выросших на загрязненных азотом почвах, повышает их поедаемость, что может привести к выпадению из растительных сообществ даже доминантных видов. Так в некоторых пустошах Западной Европы после того, как в вереске повысилось содержание азота, массово размножился вересковый жук (его количество достигало 2000 экземпляров на 1 м 2 ). Жук практически полностью выел этот кустарник из сообществ. Те же изменения в составе загрязняемых промышленным азотом сообществ отмечены и в Калифорнии.

Азот возвращается в атмосферу вновь с выделенными при гниении газами. Роль бактерий в цикле азота такова, что если будет уничтожено только 12 их видов, участвующих в  круговороте азота, жизнь на Земле прекратится. Так считают  американские ученые.

Круговорот фосфора. Фосфор имеет осадочный резервный фонд, представленный фосфорсодержащими горными породами. В природных условиях пополнение обменного фонда за счет резервного происходит в результате выщелачивания горных пород, содержащих фосфор. Даже глубоко расположенные породы подвергаются выщелачиванию грунтовыми водами, которые либо поднимаются на поверхность и выносят фосфор в почву, либо попадают в море. Из обменного фонда фосфор выводится в нерастворимой форме в составе костей скелета отмирающих животных, которые пополняют резервный фонд, и в виде растворимых фосфатов в составе мягких тканей, которые затем снова вовлекаются в обменный фонд.

Раньше между этими процессами сохранялся баланс. В настоящее время под влиянием хозяйственной деятельности человека резко увеличился поверхностный сток, выносящий фосфор в подземные воды. Здесь он включается в мелководные отложения, откуда далее может, как включаться в биологический круговорот, так и переходить в глубоководные отложения и вообще выводиться из биогеохимического круговорота. Это привело к обеднению обменного фонда. Чтобы исправить ситуацию, человек начал добывать фосфорсодержащие породы, получать из них фосфорные удобрения и вносить их в почву, что, как и в случае с азотом, привело к эвтрофикации поверхностного стока. Таким образом, человек осуществляет перекачивание фосфора из резервного фонда в обменный, и в дальнейшем его выведение из круговорота.

Круговорот серы. Сера также играет существенную роль в круговороте веществ в биосфере. В виде органических и неорганических соединений сера постоянно присутствует во всех живых организмах и является важным биогенным элементом, она входит в состав широко распространенных соединений: белков, аминокислот, коферментов, витаминов.

Соединения серы участвуют в биохимических процессах живой клетки, формировании химического состава почв. В больших количествах содержатся в подземных водах. Основную роль в обменном фонде серы играют специализированные микроорганизмы. Каждый вид микроорганизмов выполняет определенную реакцию окисления или восстановления этого элемента. 
        В земной коре в среднем содержится 0,047 % серы. В почвах, где сера присутствует преимущественно в виде сульфатов, ее количество может колебаться от 0,01 до 2-3%. Сера в виде SО2, SО3, H2S и элементарной серы выбрасывается вулканами в атмосферу. В природе она образует минералы, называемые сульфидами. Очень много серы в изверженных горных породах в виде сульфидных минералов. При окислении сульфидных минералов сера в виде иона SО2-4 попадает в Мировой океан, где поглощается морскими организмами. Отдельные виды морских обитателей известны как рекордсмены по накоплению серы (так, некоторые моллюски северных морей выделяют пищеварительными железами жидкость, в которой содержится до 4% серной кислоты). Круговорот серы в морской воде происходит с помощью сульфат- редуцирующих бактерий, которые существуют в анаэробных (бескислородных) условиях. Они восстанавливают сульфаты морской воды до сероводорода, который поднимается в верхние толщи воды и окисляется под действием кислорода, а также при участии аэробных сернистых бактерий. Некоторые бактерии способны концентрировать в своих организмах элементарную серу. После гибели таких бактерий она может накапливаться в значительных количествах на дне океана. На суше сера после отмирания растений переходит в почву, где одни микроорганизмы восстанавливают органическую серу до минеральной, а другие - окисляют эту минеральную форму до сульфатов. Последние поглощаются корнями растений, и сера снова вовлекается в круговорот. 
   Аналогично нитратам и фосфатам, сульфат серы является основной доступной формой этого элемента, которая восстанавливается автотрофными организмами и включается в белки. Круговорот серы является ключевым в общем процессе синтеза и разложения биомассы. В настоящее время техногенные выбросы серы в атмосферу земли достигают 75-100 млн т/г. Естественное ее поступление (в форме оксидов серы) оцениваются цифрами 80-280 млн т/г. Если брать нижние границы, то можно считать, что глобальный объем естественных выбросов серы примерно соответствует ее техногенным эмиссиям.

Трофическая структура экосистем и ее составляющие: продуценты, консументы, детритофаги, редуценты.

Популяции разных видов в природных условиях объединяются в системы более высокого ранга — сообщества и биоценоз. Термин «биоценоз» был предложен немецким зоологом К. Мебиусом и обозначает организованную группу популяций растений, животных и микроорганизмов, приспособленных к совместному обитанию в пределах определенного объема пространства.

Важнейший вид взаимоотношений между организмами в биоценозе, фактически формирующими его структуру, — это пищевые связи хищника и жертвы: одни — поедающие, другие — поедаемые. При этом все организмы, живые и мертвые, являются пищей для других организмов: заяц ест траву, лиса и волк охотятся на зайцев, хищные птицы (ястребы, орлы и т. п.) способны утащить и съесть как лисенка, так и волчонка. Погибшие растения, зайцы, лисы, волки, птицы становятся пищей для детритофагов (редуцентов или иначе деструкторов).

Живые организмы, входящие в состав биоценоза, не одинаковы с точки зрения усвоения ими вещества и энергии. Животные, в отличии от растений и бактерий, не могут осуществлять реакции фотосинтеза и хемосинтеза, а вынуждены использовать солнечную энергию опосредованно через органическое вещество, создаваемое фотосинтетикой. То есть в биогеоценозе образуется цепь последовательной передачи вещества и эквивалентной ему энергии от одних организмов к другим, или так называемая трофическая цепь. Так как растения строят свой организм без посредников, их называют автотрофами. Растения, будучи автотрофами, создают первичное органическое вещество, продуцируя его из неорганического, тем самым они носят название продуцентов или производителей. Организмы, которые не могут строить собственное органическое вещество из минимальных компонентов, вынуждены использовать то, что создают автотрофы, объедая их. Такие организмы называются гетеротрофы, т. е. потребители. Однако, далеко не все организмы могут для удовлетворения своих физиологических потребностей ограничиться потреблением растительной пищи, строя белки своего тела непосредственно из белков растений. Многим видам эволюция предопределила необходимость использования живых белков со специфическим набором аминокислот. Это плотоядные животные, они также являются консументами, но в отличии от растительноядных, консументами вторичными или 2-ого уровня. На этом трофическая цепь может не закончиться, и вторичные консументы могут служить источником пищи для консумента 3-его порядка и. т. д.     
Разные трофические цепи связаны между собой общими звеньями в очень сложные системы, которые называются трофические сети. Звенья, образующие трофическую сеть, неравнозначны, в первую очередь с точки зрения занимаемого места. Поэтому в экологии принято говорить не просто о звеньях цепи, а об определенных трофических уровнях. 
В процессе питания на всех трофических уровнях образуются отходы. Зеленые растения ежегодно частично или полностью сбрасывают трупы. Некоторая часть организмов отмирает. В итоге, так или иначе, всё созданное органическое вещество должно замениться в результате минерализации органики. Это происходит благодаря наличию в экосистеме особых трофических цепей, цепей – деструктров, разрушителей. Эти организмы, преимущественно бактерии, грибы, простейшие, мелкие беспозвоночные разлагают органические остатки всех трофических уровней до минеральных веществ. Разлагаемые органические остатки служат пищей деструктора. Эти организмы называются сапрофагами или биоредуцентами. Минеральные вещества, а также диоксид углерода, выделяющийся при дыхании сапрофагов, снова поступает в распоряжение продуцентов.

Пищевая цепь — это последовательный перенос вещества и энергии от их источника — зеленого растения — через ряд других организмов на более высоких трофических уровнях, т. е. путем поедания одних организмов другими.