Круговороты веществ

Введение         

На Земле, повторяющиеся процессы превращения и перемещения вещества в природе, имеющие более или менее выраженный циклический характер. Эти процессы имеют определённое поступательное движение, так как при так называемых циклических превращениях в природе не происходит полного повторения циклов, всегда имеются те или иные изменения в количестве и составе образующихся веществ. Понятие круговорота веществ нередко трактовалось метафизически, как движение по замкнутому кругу, что в корне ошибочно.         

 Около  5 млрд. лет назад произошла дифференциация  вещества Земли, разделение его  на ряд концентрических оболочек, или геосфер: атмосферу, гидросферу , земную кору, гранитную, базальтовую и другие оболочки, отличающиеся друг от друга характерным химическим составом, физическими и термодинамическими свойствами. Эти оболочки в последующее геологическое время развивались в направлении дальнейшего наиболее устойчивого состояния. Между всеми геосферами и внутри каждой отдельной геосферы продолжался обмен веществом. Вначале наиболее существенную роль играл вынос вещества из недр Земли на поверхность в результате процессов выплавления легкоплавкого вещества Земли и дегазации.        

 Поскольку  можно судить на основании  сохранившихся геологических свидетельств, эта стадия обмена была ещё  очень обширной в архейскую  эру. В то время имели место  интенсивные колебательные движения  в земной коре, обширные горообразовательные  процессы, создавшие повсеместно  складчатость, а также энергичная  вулканическая деятельность, результатом  которой явились мощные слои  базальтов. Широко развиты были  интрузии и процессы гранитизации. Все эти процессы осуществлялись в более грандиозных масштабах, чем в последующие геологические периоды. В архейскую эру на поверхность Земли выносились вещества в значительно больших количествах и, возможно, из более глубоких областей планеты. В дальнейшем обмен веществом между глубокими областями и поверхностью Земли сократился. В конце докембрия обособились более спокойные области земной коры — платформы и области интенсивной тектонической и магматической деятельности — геосинклинали. С течением времени платформы росли, а геосинклинальные области сужались.        

 В  современный период обмен веществом  между геосферами по вертикальному  направлению достаточно определенно  может наблюдаться в пределах 10—20 км от поверхности Земли и местами — в 50—60 км. Не исключено движение вещества и из более глубоких зон Земли, однако этот процесс в настоящее время уже не играет существенной роли в общем круговороте веществ на Земле. Непосредственно непрерывный круговорот веществ наблюдается в атмосфере, гидросфере, верхней части твёрдой литосферы и в биосфере. Со времени появления биосферы (около 3,5 млрд. лет назад) круговорот веществ на Земле изменился. К физико-химическим превращениям прибавились биогенные процессы. Наконец, огромной геологической силой стала ныне деятельность человека.        

 Таким образом, круговорот веществ на Земле в процессе развития нашей планеты изменялся и в современный период с геологической точки зрения наиболее интенсивен на поверхности Земли. В интенсивный обмен захватывается в литосфере, атмосфере, гидросфере и биосфере единовременно лишь небольшая часть вещества этих оболочек. Наблюдаемый круговорот веществ на Земле слагается из множества разнообразных повторяющихся в основных чертах процессов превращения и перемещения вещества. Отдельные циклические процессы представляют собой последовательный ряд изменений вещества, чередующихся с временными состояниями равновесия. Как только вещество вышло из данной термодинамической системы, с которой оно находилось в равновесии, происходит его дальнейшее изменение, пока оно не возвратится частично к первоначальному состоянию. Полного возвращения к первоначальному состоянию никогда не происходит. Вместе с тем благодаря этим повторяющимся процессам на поверхности Земли обеспечивается известная стабильность её рельефа. Яркой иллюстрацией этого может служить круговорот воды в природе.        

 Также в круговороте веществ участвуют химические элементы и соединения, более сложные ассоциации вещества и организмы. Процессы изменения вещества могут носить преимущественно характер механического перемещения, физико-химического превращения, ещё более сложного биологического преобразования или носить смешанный характер. Круговорот веществ, как и отдельные циклические процессы на Земле, поддерживаются притекающей к ним энергией. Её основными источниками являются солнечная радиация, энергия положения (гравитационная) и радиогенное тепло Земли, когда-то имевшее исключительное значение в происходивших на Земле процессах. Энергия, возникшая при химических и других реакциях, имеет второстепенное значение. Для отдельных частных круговоротов вещества можно оценить затраченную энергию; например, для ежегодного испарения масс воды с поверхности океана расходуется около 10,5·10²³ дж (2,5·10²³кал), или 10% от всей получаемой Землёй энергии Солнца.        

 Классификация  круговорота веществ на Земле ещё не разработана. Можно говорить, например, о круговоротах отдельных химических элементов или о биологическом круговороте веществ в биосфере. Можно выделить круговорот газов атмосферы или воды, твёрдых веществ в литосфере и, наконец, круговорот веществ в пределах 2—3 смежных геосфер. Изучением круговорота веществ занимались многие русские учёные. В. И. Вернадский выделил геохимическую группу так называемых циклических химических элементов; к ним относят практически все широко распространённые и многие редкие химические элементы, например углерод, кислород, азот, фосфор, серу, кальций, хлор, медь, железо, йод. В. Р. Вильямс и многие др. рассматривали биологические циклы азота, углекислоты, фосфора и другие в связи с изучением плодородия почв. Из цикличности химических элементов особенно важную роль в биогенном цикле играют углерод, азот, фосфор, сера. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Круговорот  воды в природе.

         С поверхности  океана испаряется ежегодно огромное  количество воды, но при этом  нарушается её изотопный состав: она становится беднее тяжёлым  водородом по сравнению с океанической  водой (в результате фракционирования  изотопов водорода при испарении). Между поверхностным слоем воды  океана и массой воды более  глубоких его зон существует  свой регулярный, установившийся  обмен. Между парами воды и  водой атмосферы и водоёмов  устанавливаются локальные временные  равновесия. Пары воды в атмосфере  конденсируются, захватывая газы  атмосферы и вулканические газы, а затем вода обрушивается  на сушу. Часть воды при этом  входит в химические соединения, другая в виде кристаллогидратной, сорбированной и многих других форм связывается рыхлыми осадками земной коры, погребается вместе с ними и надолго оставляет основной цикл. Осадки в процессе метаморфизации и погружения в глубь Земли под влиянием давления и высокой температуры (например, интрузии) теряют воду, которая поднимается по порам пород и появляется в виде горячих источников или пластовых вод на поверхности Земли, или, наконец, выбрасывается с парами при вулканической деятельности вместе с некоторым количеством ювенальных вод и газов. Другая же, основная масса воды, извлекая растворимые соединения из пород литосферы, разрушая их, стекает реками обратно в океан. В результате этого процесса солевой состав океана в геологическом времени изменяется. Химические элементы, образующие легкорастворимые соединения, накапливаются в морской воде. Труднорастворимые соединения химических элементов быстро достигают дна океана. 
 
 
 
 
 
 
 

2. Круговорот  кальция.

         Другой пример  — круговорот кальция. Известняки (как и другие породы) на континенте разрушаются, и растворимые соли кальция (двууглекислые и другие) реками сносятся в море. Ежегодно в море сбрасывается с континента около 5·10⁸ т кальция. В тёплых морях углекислый кальций интенсивно потребляется низшими организмами — фораминиферами, кораллами и другими — на постройку своих скелетов. После гибели этих организмов их скелеты из углекислого кальция образуют осадки на дне морей. Со временем происходит их метаморфизация, в результате чего формируется порода — известняк. При регрессии моря известняк обнажается, оказывается на суше и начинается процесс его разрушения. Но состав вновь образующегося известняка несколько иной. Так, оказалось, что палеозойские известняки более богаты углекислым магнием и сопровождаются доломитом, известняки же более молодые — беднее углекислым магнием, а образования пластов доломитов в современную эпоху почти не происходит. Наконец, при излиянии лавы известняки частично могут быть ею ассимилированы, то есть войти в большой круговорот веществ.         

3. Круговорот  углерода.

         Углерод —  основной биогенный элемент. Он играет важнейшую роль в образовании живого вещества биосферы. Углекислый газ из атмосферы в процессе фотосинтеза, осуществляемого зелёными растениями, ассимилируется и превращается в разнообразные и многочисленные органические соединения растений. Растительные организмы, особенно низшие микроорганизмы, морской фитопланктон, благодаря исключительной скорости размножения продуцируют в год около 1,5·10¹¹ т углерода в виде органической массы, что соответствует 5,86·10²⁰дж (1,4·10²⁰кал) энергии. Растения частично поедаются животными (при этом образуются более или менее сложные пищевые цепи). В конечном счете, органическое вещество в результате дыхания организмов, разложения их трупов, процессов брожения, гниения и горения превращается в углекислый газ или отлагается в виде сапропеля, гумуса, торфа, которые, в свою очередь, дают начало многим другим каустобиолитам — каменным углям, нефти, горючим газам (рис. 2).        

 В  процессах распада органических  веществ, их минерализации огромную  роль играют бактерии (например, гнилостные), а также многие грибы  (например, плесневые).        

 В  активном круговороте углерода  участвует очень небольшая часть всей его массы. Огромное количество угольной кислоты законсервировано в виде ископаемых известняков и других пород. Между углекислым газом атмосферы и водой океана, в свою очередь, существует подвижное равновесие.              

 Многие  водные организмы поглощают углекислый  кальций, создают свои скелеты,  а затем из них образуются  пласты известняков. Из атмосферы  было извлечено и захоронено  в десятки тысяч раз больше  углекислого газа, чем в ней  находится в данный момент. Атмосфера  пополняется углекислым газом  благодаря процессам разложения  органического вещества, карбонатов и других, а также, всё в большей мере, в результате индустриальной деятельности человека. Особенно мощным источником являются вулканы, газы которых состоят главным образом из углекислого газа и паров воды. Некоторая часть углекислого газа и воды, извергаемых вулканами, возрождается из осадочных пород, в частности известняков, при контакте магмы с ними и их ассимиляции магмой. В процессе круговорота углерода происходит неоднократное фракционирование его по изотопному составу (¹²C—¹³C), особенно в магматогенном процессе (образование CO₂, алмазов, карбонатов), при биогенном образовании органического вещества (угля, нефти, тканей организмов).         
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

4. Круговорот  Азота.

     Источником азота на Земле был вулканогенный NH₃, окисленный O₂ (процесс окисления азота сопровождается нарушением его изотопного состава — ¹⁴N—¹⁵N). Основная масса азота на поверхности Земли находится в виде газа (N₂) в атмосфере. Известны два пути его вовлечения в биогенный круговорот (рис. 3):

1) процессы  электрического (в тихом разряде)  и фотохимического окисления  азота воздуха, дающие разные  окислы азота (NO₂, NO'₃ и другие), которые растворяются в дождевой воде и вносятся, таким образом, в почвы, воду океана;

2) биологическая  фиксация N₂ клубеньковыми бактериями, свободными азотфиксаторами и другими микроорганизмами.

     Первый путь даёт около 30 мг NO'₃ на 1 м² поверхности Земли в год, второй — около 100 мг NO'₃ на 1 м² в год. Значение азота в обмене веществ организмов общеизвестно. Он входит в состав белков и их разнообразных производных. Остатки организмов на поверхности Земли или погребённые в толще пород подвергаются разрушению при участии многочисленных микроорганизмов. В этих процессах органический азот подвергается различным превращениям. В результате процесса денитрификации при участии бактерий образуется элементарный азот, возвращающийся непосредственно в атмосферу. Так, например, наблюдаются подземные газовые струи, состоящие почти из чистого N₂. Биогенный характер этих струй доказывается отсутствием в их составе аргона (⁴⁰Ar), обычного в атмосфере. При разложении белков образуются также аммиак и его производные, попадающие затем в воздух и в воду океана. В биосфере в результате нитрификации — окисления аммиака и других азотсодержащих органических соединений при участии бактерии Nitrosomonas и нитробактерий — образуются различные окислы азота (N₂O, NO, N₂O₃ и N₂O₅). Азотная кислота с металлами даёт соли. Калийная селитра образуется на поверхности Земли в кислородной атмосфере в условиях жаркого и сухого климата в местах отложений остатков водорослей.  
 
 

5. Круговорот  фосфора.

         Источник  фосфора в биосфере — главным  образом апатит, встречающийся во  всех магматических породах. В  превращениях фосфора (рис. 4) большую роль играет живое вещество. Организмы извлекают фосфор из почв, водных растворов. Фосфор входит в состав белков, нуклеиновых кислот, лецитинов, фитина и других органических соединений; особенно много фосфора в костях животных. С гибелью организмов фосфор возвращается в почву и в донные отложения. Он концентрируется в виде морских фосфатных конкреций, отложений костей рыб, гуано, что создаёт условия для образования богатых фосфором пород, которые, в свою очередь, служат источниками фосфора в биогенном цикле.