БИОГЕОХИМИ́ЧЕСКИЕ ЦИ́КЛЫ

СХЕМА БИОГЕОХИМИЧЕСКОЙ ЦИКЛИЧНОСТИ В БИОСФЕРЕ Рис. И. В. Коротковой

БИОГЕОХИМИ́ЧЕСКИЕ ЦИ́КЛЫ (био­гео­хи­ми­че­ский кру­го­во­рот ве­ществ), об­мен ве­ще­ст­вом и энер­ги­ей ме­ж­ду разл. ком­по­нен­та­ми био­сфе­ры, обу­слов­лен­ный жиз­не­дея­тель­но­стью ор­га­низ­мов и но­ся­щий цик­лич. ха­рак­тер. Впер­вые по­ня­тие о «Б. ц.» бы­ло вве­де­но в нач. 20 в. В. И. Вер­над­ским, раз­ра­бо­тав­шим тео­ре­тич. ос­но­вы био­гео­хи­мич. цик­лич­но­сти. Б. ц. в об­ще­пла­не­тар­ном по­ни­ма­нии рас­смат­ри­ва­ют­ся как по­сто­ян­ное пе­ре­ме­ще­ние хи­мич. эле­мен­тов под воз­дей­ст­ви­ем сол­неч­ной энер­гии с уча­сти­ем жи­вых ор­га­низ­мов. При этом разл. хи­мич. эле­мен­ты по­сто­ян­но пе­ре­хо­дят из од­них со­еди­не­ний в дру­гие, про­ис­хо­дит об­мен ве­ще­ст­вом и энер­ги­ей ме­ж­ду жи­вым и не­жи­вым. В Б. ц. ис­клю­чи­тель­ная роль при­над­ле­жит фо­то­син­те­зу, бла­го­да­ря ко­то­ро­му сол­неч­ная энер­гия ак­ку­му­ли­ру­ет­ся в ви­де энер­гии хи­мич. свя­зей ор­га­нич. со­еди­не­ний и слу­жит дви­жу­щей си­лой всех био­гео­хи­мич. про­цес­сов. В био­гео­хи­мич. кру­го­во­ро­ты во­вле­ка­ют­ся пре­ж­де все­го не­об­хо­ди­мые для жиз­не­дея­тель­но­сти ор­га­низ­мов био­ген­ные эле­мен­ты, в т. ч. $\ce{C, H, N, O, Ca, P, S, Fe, Zn, Mn, Cu}$. Та­ким об­ра­зом, бла­го­да­ря фо­то­син­те­зу и не­пре­рыв­но дей­ст­вую­щим взаи­мо­связан­ным кру­го­во­ро­там эле­мен­тов соз­да­ёт­ся ус­той­чи­вая ор­га­ни­зо­ван­ность био­сфе­ры.

Пер­во­на­чаль­но на пла­не­те сло­жи­лись абио­ген­ные цик­лы, вклю­чаю­щие весь ком­плекс гео­ло­гич., гео­хи­мич., гид­ро­ло­гич. и ат­мо­сфер­ных про­цес­сов. Оп­ре­деляю­щую роль иг­ра­ли гл. обр. вод­ная и воз­душ­ная ми­гра­ции и ак­ку­му­ля­ция ве­ществ. Од­на­ко по ме­ре со­вер­шен­ст­вова­ния разл. форм жиз­ни кру­го­во­рот ве­ществ в при­ро­де стал на­прав­лять­ся со­вме­ст­ным дей­ст­ви­ем био­ло­гич., гео­хи­мич. и гео­фи­зич. фак­то­ров. Ор­га­низ­мы, на­хо­дясь в со­стоя­нии по­сто­ян­но­го об­ме­на с ок­ру­жаю­щей их сре­дой, вос­при­ни­ма­ют и от­да­ют раз­но­об­раз­ные ми­нер. и ор­га­нич. со­еди­не­ния в ви­де га­зов, рас­тво­ров, твёр­дых тел. Эко­си­сте­мы су­ши и Ми­ро­во­го океа­на свя­за­ны ме­ж­ду со­бой че­рез гид­ро­ло­гич. сток и воз­душ­ную ми­гра­цию пу­тём об­ра­зо­ва­ния, пе­ре­но­са и вы­па­де­ния ат­мо­сфер­ных осад­ков, аэ­ро­сус­пен­зий и аэ­ро­зо­лей, а так­же пу­тём об­ме­на су­ши и вод­ной сре­ды мас­са­ми жи­во­го и мёрт­во­го ве­ще­ст­ва.

В раз­ных ком­по­нен­тах био­сфе­ры в со­от­вет­ст­вии с ме­ст­ны­ми кли­ма­тич. и гео­ло­гич. осо­бен­но­стя­ми об­ще­пла­не­тар­ный кру­го­во­рот про­хо­дит по-раз­но­му, с не­оди­на­ко­вы­ми ин­тен­сив­но­стью, на­прав­лен­но­стью, ско­ро­стью, ка­че­ст­вен­ным раз­но­об­ра­зи­ем во­вле­чён­ных в кру­го­во­рот ве­ществ. Т. е. в раз­ных уча­ст­ках био­сфе­ры соз­да­ют­ся свои ус­той­чи­вые Б. ц., ко­то­рые ха­рак­те­ри­зу­ют столь же ус­той­чи­вый био­гео­хи­мич. фон ме­ст­но­сти. Вы­де­ля­ют так­же отд. вет­ви кру­го­во­ро­та, раз­ли­чаю­щие­ся по ско­ро­сти об­мен­ных про­цес­сов. Са­мый бы­ст­рый об­мен эле­мен­та­ми про­ис­хо­дит сре­ди мик­ро­ор­га­низ­мов (от не­сколь­ких ми­нут до су­ток), в сис­те­ме поч­ва–рас­те­ние он длит­ся от не­дель до де­сят­ков и да­же со­тен лет, а в эко­си­сте­мах и ланд­шаф­тах – де­сят­ки, сот­ни и да­же ты­ся­чи лет. Об­ще­пла­не­тар­ный цикл ве­ще­ст­ва, ох­ва­ты­ваю­щий все при­род­ные те­ла био­сфе­ры (вклю­чая глу­бо­кие го­ри­зон­ты дон­ных от­ло­же­ний и зем­ную ко­ру), про­те­ка­ет мед­лен­но и ис­чис­ля­ет­ся, по-ви­ди­мо­му, сот­ня­ми ты­сяч и мил­лио­на­ми лет.

Нор­маль­ные (не­на­ру­шен­ные) Б. ц. не яв­ля­ют­ся замк­ну­ты­ми; сте­пень об­ра­ти­мо­сти го­дич­ных цик­лов важ­ней­ших био­ген­ных эле­мен­тов дос­ти­га­ет 95–98%. Этим под­дер­жи­ва­ет­ся от­но­сит. по­сто­ян­ст­во и «рав­но­ве­сие» со­ста­ва, ко­ли­че­ст­ва и кон­цен­тра­ции ком­по­нен­тов, во­вле­чён­ных в кру­го­во­рот, гар­мо­ния в от­но­ше­ни­ях ор­га­низ­мов и ок­ру­жаю­щей сре­ды. Од­на­ко в мас­шта­бах гео­ло­гич. вре­ме­ни не­пол­ная замк­ну­тость Б. ц. при­во­дит к ми­гра­ции и диф­фе­рен­циа­ции эле­мен­тов, их кон­цен­три­ро­ва­нию или рас­сея­нию. Часть эле­мен­тов изы­ма­ет­ся из Б. ц., ос­та­ва­ясь в т. н. за­пас­ном фон­де. Уг­ле­род, напр., спо­со­бен за­дер­жи­вать­ся в дре­во­стое ле­сов неск. со­тен лет, в гу­му­се почв – ты­ся­чи лет, в за­ле­жах тор­фа де­сят­ки ты­сяч лет, в ка­мен­ном уг­ле – мил­лио­ны лет. За всю ис­то­рию био­сфе­ры (3,5–3,8 млрд. лет) след­ст­ви­ем этих про­цес­сов ста­ло био­ген­ное на­ко­п­ле­ние в ат­мо­сфе­ре $\ce{O_2}$ и $\ce{N_2}$, по­яв­ле­ние озо­но­во­го эк­ра­на; про­изош­ло био­ген­ное кон­цен­три­ро­ва­ние уг­ле­ро­да (600 млн. лет на­зад сфор­ми­ро­вались за­па­сы ис­ко­пае­мо­го то­п­ли­ва – го­рю­чие слан­цы, нефть, уголь, би­ту­мы, а также из­вест­ня­ков, до­ло­ми­тов), крем­не­зё­ма (диа­то­ми­ты, тре­пе­лы), фос­фо­ра, же­ле­за, ме­ди и др. со­еди­не­ний. Био­гео­хи­мич. про­цес­сы кон­цен­три­ро­ва­ния и рас­сея­ния эле­мен­тов кон­тра­ст­но вы­яви­ли хи­мич. не­од­но­род­ность био­сфе­ры, мо­за­ич­ность её гео­хи­мич. об­ли­ка.

В мас­шта­бах био­сфе­ры ко­ли­че­ст­во пе­ре­ме­щае­мых эле­мен­тов в про­цес­се жиз­не­дея­тель­но­сти жи­вых ор­га­низ­мов ог­ром­но. Так, выс­шие на­зем­ные рас­те­ния в хо­де фо­то­син­те­за еже­год­но ус­ваи­ва­ют 60–70 млрд. т уг­ле­ро­да и ди­ок­си­да уг­ле­ро­да, что эк­ви­ва­лент­но 8–10% об­ще­го его ко­ли­че­ст­ва в ат­мо­сфе­ре Зем­ли. При­мер­но столь­ко же $\ce{CO_2}$ вы­де­ля­ет­ся в про­цес­се ды­ха­ния поч­вен­ны­ми мик­ро­ор­га­низ­ма­ми. Пол­ная обо­ра­чи­вае­мость $\ce{CO_2}$ ат­мо­сфе­ры Зем­ли про­ис­хо­дит ка­ж­дые во­семь лет.

Кру­го­во­ро­ты мн. эле­мен­тов (в т. ч. $\ce{Ca, Mg, Al, Mn, Fe, Zn, Cu, P, S, F, Br, I}$) от­но­сят­ся к оса­доч­но­му ти­пу, т. е. в об­мен­ных про­цес­сах уча­ст­ву­ет очень ма­лое их ко­ли­че­ст­во, а осн. часть в ви­де пло­хо рас­тво­ри­мых со­лей вы­во­дит­ся из цик­лов. Это при­во­дит к не­рав­но­мер­но­му рас­пре­де­ле­нию эле­мен­тов в зем­ной ко­ре и об­ра­зо­ва­нию т. н. био­гео­хи­мич. про­вин­ций с при­род­ной по­вы­шен­ной или по­ни­жен­ной кон­цен­тра­ци­ей то­го или ино­го эле­мен­та от­но­си­тель­но «нор­маль­но­го» гео­хи­мич. фо­на. Не­дос­та­ток или из­бы­ток в поч­вах та­ких эле­мен­тов, как $\ce{F, Br, B, Cu, Co}$ и не­ко­то­рых дру­гих слу­жит при­чи­ной воз­ник­но­ве­ния эн­де­мич. за­бо­ле­ва­ний че­ло­ве­ка и жи­вот­ных.

Су­ще­ст­вен­ная осо­бен­ность Б. ц. – кон­цен­три­ро­ва­ние био­той в сре­дах её оби­та­ния тех или иных био­ген­ных эле­мен­тов в ко­ли­че­ст­вах, во мно­го раз пре­вы­шаю­щих их со­дер­жа­ние во внеш­ней сре­де. Это от­но­сит­ся пре­ж­де все­го к поч­ве, ко­то­рая яв­ля­ет­ся вме­сти­ли­щем всех не­об­хо­ди­мых для рас­те­ний эле­мен­тов. Бла­го­да­ря кор­не­вой сис­те­ме рас­те­ний, глу­бо­ко про­ни­каю­щей по поч­вен­но­му про­фи­лю, мно­гие хи­мич. эле­мен­ты из ма­те­рин­ских по­род по­сту­па­ют в верх­ние го­ри­зон­ты поч­вы и на­ка­п­ли­ва­ют­ся в ней. По В. И. Вер­над­ско­му, поч­ва в Б. ц. яв­ля­ет­ся об­ла­стью наи­выс­шей гео­хи­мич. энер­гии жи­во­го ве­ще­ст­ва, важ­ней­шая (по сво­им гео­хи­мич. по­след­ст­ви­ям) «ла­бо­ра­то­рия» иду­щих в ней хи­мич. и био­хи­мич. про­цес­сов.

В совр. био­сфе­ре Б. ц. под­вер­га­ют­ся силь­ным воз­дей­ст­ви­ям со сто­ро­ны хо­зяйств. дея­тель­но­сти че­ло­ве­ка, при­чём мас­шта­бы ан­тро­по­ген­но­го влия­ния срав­ни­мы с при­род­ны­ми био­гео­хи­мич. про­цес­са­ми. На по­верх­ность из недр Зем­ли еже­год­но из­вле­ка­ет­ся бо­лее 160 млрд. т разл. гор­ных по­род; за год сжи­га­ет­ся столь­ко го­рю­чих ис­ко­пае­мых, сколь­ко соз­да­ва­ла их при­ро­да в те­че­ние мил­лио­нов лет; в про­цес­се пром. про­из-ва, при ра­бо­те те­п­ло­вых элек­тро­стан­ций и транс­пор­та в ат­мо­сфе­ру вы­бра­сы­ва­ют­ся ог­ром­ные ко­ли­че­ст­ва не­безо­пас­ных для жи­вых ор­га­низ­мов и час­то ток­сич­ных га­зов (см. За­гряз­не­ние ок­ру­жаю­щей среды­). На­ру­шен ра­нее су­ще­ст­во­вав­ший ба­ланс ме­ж­ду ус­вое­ни­ем $\ce{CO_2}$ в хо­де фо­то­син­те­за и его по­сту­п­ле­ни­ем в ат­мо­сфе­ру. Еже­год­ная фо­то­син­те­тич. про­дук­ция со­став­ля­ет (1,2–1,9)·10¹¹ т, а рас­хо­ду­ет­ся на разл. ви­ды ан­тро­по­ген­ной дея­тель­но­сти (сжи­га­ние то­п­ли­ва, ме­тал­лур­гия, хи­мич. пром-сть и др.) (8–9)·10⁹ т, т. е. еже­год­но до­пол­ни­тель­но рас­хо­ду­ет­ся ок. 5% ко­ли­че­ст­ва $\ce{O_2}$, вы­ра­ба­ты­вае­мо­го в при­ро­де. Еже­год­ный при­рост в ат­мо­сфе­ре со­дер­жа­ния $\ce{CO_2}$ со­став­ля­ет 3 млрд. т (в пе­ре­счё­те на уг­ле­род), в осн. за счёт сжи­га­ния ис­ко­пае­мо­го то­п­ли­ва и бес­кон­троль­ной вы­руб­ки ле­сов. Это вле­чёт за со­бой на­рас­та­ние пар­ни­ко­во­го эф­фек­та. Кру­го­во­рот азо­та все­гда осу­ще­ст­в­лял­ся бла­го­да­ря по­сто­ян­но про­те­каю­щим про­цес­сам азот­фик­са­ции, ам­мо­ни­фи­ка­ции, нит­ри­фи­ка­ции и де­нит­ри­фи­ка­ции (см. Азот био­ген­ный). Совр. пром-сть по про­из-ву удоб­ре­ний фик­си­ру­ет азот ат­мо­сфе­ры и воз­вра­ща­ет его в поч­вы в раз­ме­рах, пре­вы­шаю­щих био­ло­гич. фик­са­цию. Про­ис­хо­дит по­сто­ян­ное уве­ли­че­ние со­дер­жа­ния нит­ра­тов в во­до­ёмах и ок­си­дов азо­та в ат­мо­сфе­ре, что со­про­во­ж­да­ет­ся со­от­вет­ст­вен­но эв­тро­фи­ка­ци­ей во­до­ёмов и под­кис­ле­ни­ем ат­мо­сфер­ных осад­ков; на­ко­п­ле­ние ге­ми­ок­си­да азо­та ($\ce{NO_2}$) в ат­мо­сфе­ре спо­соб­ст­ву­ет соз­да­нию пар­ни­ко­во­го эф­фек­та и раз­ру­ше­нию озо­но­во­го слоя. Фор­ми­ру­ют­ся тех­но­ген­ные (ан­тро­по­ген­ные) гео­хи­мич. ано­ма­лии в зо­нах, при­ле­гаю­щих к круп­ным пром. пред­при­яти­ям; про­ис­хо­дит на­коп­ле­ние в поч­вах и жи­вых ор­га­низ­мах тя­жё­лых ме­тал­лов (в райо­нах дей­ст­вия не­ко­то­рых вред­ных про­из­водств и вдоль ав­то­страд). Не­ред­ко в круп­ных ин­ду­ст­ри­аль­ных цен­трах ло­каль­ные ано­ма­лии пе­ре­хо­дят в ре­гио­наль­ные и об­ще­пла­не­тар­ные (по­вы­ше­ние содержания $\ce{CO_2}$ в ат­мо­сфе­ре). Ме­ры борь­бы с на­ру­ше­ни­ем Б. ц. свя­за­ны с при­ро­до­ох­ран­ной дея­тель­но­стью, соз­да­ни­ем ма­ло­от­ход­ных тех­но­ло­гий, ши­ро­кой ре­ути­ли­за­ци­ей про­дук­тов промышленного и сельскохозяйственного про­из-ва, с по­ис­ка­ми пу­тей оп­ти­ми­за­ции осн. ха­рак­те­ри­стик Б. ц. и воз­мож­но­стью ра­зум­но­го управ­ле­ния ими. См. так­же ст. Био­сфе­ра и лит. при ней.