Круговорот углерода и азота в биосфере

Круговорот углерода и азота в биосфере

Непрерывное перемещение химических элементов между живым веществом и неживой природой образует основу устойчивости планетарных экосистем. Среди таких процессов выделяются круговорот углерода и круговорот азота - два важнейших биогеохимических цикла, без которых невозможна жизнь. Оба элемента служат строительным материалом для органических молекул, а характер их перемещения тесно связан с состоянием атмосферы, почв и Мирового океана. Заметное воздействие на оба цикла оказывает современная антропогенная деятельность.

Круговорот углерода

Среди всех известных биогеохимических циклов оборот углерода считается наиболее интенсивным: полный его оборот занимает всего около 300 лет. Основные запасы элемента сосредоточены в углеродсодержащих горных породах на дне океана и в земной коре, а также в ископаемых видах топлива. Углерод образует фундамент всех органических веществ - белков, жиров, углеводов и иных соединений, необходимых для жизнедеятельности организмов.

В органическое вещество элемент включается в ходе фотосинтеза, после чего распространяется по трофическим цепям. Ежегодно растения усваивают порядка 46 млрд тонн углерода. Наземная растительность поглощает углекислый газ из воздуха через поры листьев, а фитопланктон извлекает его из CO₂, растворённого в воде.

Скорость перемещения углерода между живыми и неживыми компонентами природы довольно высока. Наибольшей подвижностью обладает углекислый газ, играющий ведущую роль в этом обороте. В атмосферу он поступает при дыхании организмов, сжигании топлива и разложении отмершей органики. Значительные объёмы углерода выделяются также при извержениях вулканов. Дополнительный вклад вносят вертикальные движения земной коры: они поднимают блоки осадочных пород и формируют острова, где химическое разрушение породы сопровождается выделением CO₂.

За последнее столетие человек активно разрабатывает углеродные «захоронения», возвращая запасённый элемент в глобальный оборот. Это ведёт к заметному росту концентрации углекислого газа в воздухе. Чрезмерное накопление этого соединения нарушает равновесие в биосфере, важнейшим следствием чего становится усиление парникового эффекта.

Круговорот азота

Не менее сложен по своему устройству круговорот азота. Этот элемент входит в состав аминокислот, которые служат строительным материалом для белков. Главным его резервуаром выступает атмосфера, на 78% состоящая из азота. Вместе с тем большинство живых организмов способны усваивать его лишь в виде соединений с другими элементами.

Ключевую роль в обороте играют азотфиксирующие бактерии и денитрифицирующие бактерии. Они обеспечивают перевод элемента из неорганических форм - оксидов азота, нитратов, нитритов, аммиака и солей аммония - в иные соединения. Атмосферный азот поглощается азотфиксирующими микроорганизмами, которые превращают его в формы, доступные для растений.

Дальнейшее преобразование ионов аммония в нитрат-ионы, потребляемые растениями, протекает в почве благодаря нитратным и нитритным бактериям. Денитрифицирующие микроорганизмы, в свою очередь, переводят растворимые азотистые соединения в газообразные формы, пополняя атмосферный запас элемента.

Определённая доля азота надолго выключается из оборота, переходя в глубинные отложения литосферы. Однако эти потери полностью восполняются за счёт вулканической и антропогенной деятельности, благодаря чему общий баланс элемента в биосфере сохраняется.