Биогеохимические циклы

Биогеохимические циклы (биогеохимический круговорот веществ) — это обмен веществом и энергией между различными компонентами биосферы, обусловленный жизнедеятельностью организмов и носящий циклический характер. Термин «биогеохимические циклы» был введён в 1910‑х годах В. И. Вернадским, который разработал теоретические основы биогеохимической цикличности в учении о биосфере и трудах по биогеохимии.

Все биогеохимические циклы в природе взаимосвязаны и составляют динамическую основу существования жизни. Некоторые из них (циклы углерода, кислорода, водорода, азота, серы, фосфора, кальция, калия, кремния и других так называемых биогенных элементов) являются ключевыми для понимания эволюции и современного состояния биосферы.

Движущими силами биогеохимических циклов служат:

Потоки энергии Солнца (и космоса в целом).
Деятельность живого вещества (совокупности всех живых организмов), которая приводит к перемещению огромных масс химических элементов, а также к концентрированию и перераспределению энергии, аккумулированной в процессе фотосинтеза.

Благодаря фотосинтезу и непрерывно действующим циклическим круговоротам биогенных элементов создаётся устойчивая организованность биосферы Земли и осуществляется её нормальное функционирование.

Незамкнутость циклов

Нормальные (ненарушенные) биогеохимические циклы в биосфере не являются абсолютно замкнутыми, хотя степень обратимости годичных циклов важнейших биогенных элементов достигает 95—98 %. Неполная обратимость (незамкнутость) — одно из важнейших свойств биогеохимических циклов, имеющее планетарное значение.

За всю историю развития биосферы (3,5—3,8 млрд лет) доля вещества, выходящая из относительно быстрого биосферного цикла (длительностью от десятков до нескольких тысяч лет) в медленный геологический цикл (длительностью в миллионы лет), обусловила:

Биогенное накопление кислорода и азота в атмосфере.
Накопление различных химических элементов и соединений в земной коре.

Особенно показателен биогеохимический цикл углерода. Ежегодно из биосферного цикла наземных экосистем в геологический цикл «сбрасывается» около 130 млн тонн углерода, что составляет всего 10⁻⁷ — 10⁻⁸ % от запасов углерода, находящихся в обращении в современной биосфере. Однако за время фанерозоя (около 600 млн лет) за счёт этой неполной обратимости цикла в ископаемых осадках накопились огромные запасы углеродистых отложений (известняков, битумов, углей, нефти и других), оцениваемые в 10¹⁶ — 10¹⁷ тонн.

Биогеохимический фон и аномалии

Сложившаяся в ходе эволюции биосферы направленность планетарных и региональных биогеохимических циклов привела к созданию устойчивого биогеохимического (так называемого нормального) фона, характерного для той или иной местности. Этот фон различается для определённых регионов. В пределах этих регионов по недостатку или избытку определённых химических элементов выделяются естественные геохимические аномалии — биогеохимические провинции.

С вариациями исторически сложившегося общего геохимического фона территории и естественными биогеохимическими аномалиями, отражающими реально существующую неоднородность химического состава биосферы, связаны многие эндемичные болезни животных и человека.

Антропогенное воздействие

Глобальный характер хозяйственной деятельности человека приводит к качественным изменениям в естественной биогеохимической цикличности. По ряду параметров масштабы антропогенных воздействий уже сопоставимы с количеством веществ, вовлечённых в естественные циклы.

Техногенные продукты, поступающие в биосферу, перегружают её нормальное функционирование и частично или полностью выпадают из системы устойчивых биогеохимических циклов.
Возникает новый тип техногенных геохимических аномалий, называемых «неоаномалиями» или «антропоаномалиями». Они формируются на нормальном биогеохимическом фоне в чрезвычайно короткие сроки и охватывают не только живое вещество, но и биокосные тела биосферы (атмосферу, почвы, природные воды), проникая даже в глубокие горизонты земной коры.
Происходит нарушение отлаженных во времени природных циклов. Для ряда элементов и соединений биогеохимические циклы становятся природно‑антропогенными (циклы тяжёлых металлов, азота, серы, фосфора, калия и других).
Некоторые создаваемые человеком материалы (пластмассы, детергенты и другие продукты химического синтеза — так называемые ксенобиотики) вообще не включаются в природные циклы и не перерабатываются в биосфере.

Меры борьбы с нарушением биогеохимических циклов связаны с природоохранной деятельностью, созданием малоотходных технологий, широкой реутилизацией (переработкой и повторным использованием) продуктов промышленного и сельскохозяйственного производства, а также с поиском путей оптимизации основных характеристик циклов и возможностью разумного управления ими.

Современный контекст

В современной науке концепция биогеохимических циклов является фундаментальной для понимания глобальных изменений, таких как изменение климата, закисление океанов и нарушение циклов азота и фосфора. Исследования с помощью спутникового мониторинга, глобальных сетей наблюдений и сложного компьютерного моделирования позволяют количественно оценивать потоки веществ и влияние на них человеческой деятельности. Особое внимание уделяется петлям обратной связи в циклах (например, как таяние вечной мерзлоты высвобождает метан, усиливая парниковый эффект) и концепции планетарных границ, где нарушение биогеохимических циклов азота и фосфора уже признано одним из критических пределов, перешагнутых человечеством.

См. также: Биосфера