Жизнь как глобальный биологический круговорот веществ

Суть и определение биологического круговорота

На Земле все живые организмы интегрированы в открытые системы, существование которых невозможно без постоянного обмена веществами и энергией. Неразрывные потоки связывают все элементы природы, поэтому рассматривать биологическую систему вне контекста окружающей среды невозможно. В двадцатом веке в науке утвердился целостный взгляд на устройство природы, а экология как наука стала изучать межсистемные связи. Биосфера поддерживает существование всех форм жизни за счёт нескончаемого обмена веществ и Энергии между живыми организмами (биотой) и неживыми компонентами (абиотическими).

Запасы минерального вещества на Земле ограничены, ведь она представляет собой сравнительно небольшое космическое тело. Единственный путь к эффективному использованию этих ресурсов — их вовлечение в замкнутый обмен. Зелёные растения (продуценты) с помощью фотосинтеза создают органические соединения из неорганических, используя солнечный свет. Дальше эта органика становится пищей для прочих организмов и разрушается, возвращаясь в виде минеральных соединений в окружающую среду, где она в очередной раз усваивается растениями. Так цикл, то есть биологический круговорот веществ, продолжается бесчисленное количество раз, непрерывно поддерживая жизнь.

Механизмы и основные участники круговорота

Каждый вид в природе выполняет свою функцию, занимая определённое место во всеобщем биологическом круговороте веществ. Жизнь неразделимо связана с постоянными процессами синтеза новых веществ и разрушения старых – поддерживая динамику экосистем. Таким образом, каждый организм отдаёт в природу то, что впоследствии будет использоваться другими существами. Этот принцип взаимного обмена — фундамент устойчивости биосферы.

Начальная стадия большого круговорота — фотосинтез, где световая энергия преобразуется в химическую. Растения и некоторые бактерии используют свет и неорганические соединения для синтеза жизненно важной органики: углеводов, белков и прочих молекул. Но немаловажная роль принадлежит редуцентам — бактериям и грибам, которые разлагают погибшую органику до минеральных соединений. Минералы снова поступают к растениям-продуцентам — так замыкается биологический круговорот, позволяя каждому атому участвовать в бесконечном круге превращений.

В итоге в биологическом круговороте взаимодействуют три основные группы организмов. Продуценты создают органику, консументы питаются ею, а редуценты разлагают органические остатки, возвращая элементы в минеральной форме в экологическую систему. Их согласованное «сотрудничество» обеспечивает биосфере способность к саморегуляции. Принято различать две фазы, через которые проходят вещества в процессе биологического круговорота веществ:

• Органическая фаза: в ходе этой стадии химические элементы включаются в структуры живых существ и накапливаются как часть биомассы.
• Неорганическая фаза: здесь органические вещества минерализуются, распадаясь после гибели организмов до простых соединений, возвращаемых природе.

Неоднократная смена "жизненного статуса" атомов между живым и неорганическим получает название биогенной миграции, и именно она задаёт ритм всей биосфере, отражая суть биологического круговорота веществ.

Эволюционные и планетарные масштабы круговорота

Биогеохимические циклы — процесс переменный: их состав и интенсивность меняются с течением времени. В ходе круговых превращений вещества не возвращаются точно в прежнее состояние — их распределение и качество всегда немного изменяются. Современный вид биологический круговорот обрёл благодаря долгому совместному развитию геологических и биологических процессов.

После возникновения жизни химические и физические трансформации дополнились активными биогенными процессами. В настоящее время самые интенсивные круговороты происходят на поверхности Земли — в биосфере. Кроме естественных сил, на современном этапе фактором стали и сами люди: человечество превратилось в значительную геологическую силу, всё активнее вмешиваясь в биологический круговорот веществ на планете.

Оценка масштаба круговорота требует обращения к числам: масса земной коры оценивается примерно в 2∙10¹⁹ тонн, в то время как весь объём живой материи (биомассы) — около 2,42∙10¹² тонн, то есть почти в 10 миллионов раз меньше. Ежегодно автотрофы (главные продуценты) синтезируют порядка 2,32∙10¹¹ тонн органического вещества, а вся биомасса на Земле полностью обновляется за 10–12 лет. Даже несмотря на малую долю живого вещества в общей массе коры, его удивительная метаболическая подвижность позволяет каждому атому в течение миллиардов лет снова и снова проходить через органическую фазу биологического круговорота веществ.