Солнечная энергия обеспечивает на Земле два круговорота веществ: большой или геологический и малый, или биологический.
В основе большого геологического круговорота лежит процесс переноса веществ, в основном минеральных соединений, из одного места в другое в масштабе планеты.
Около 30% падающей на Землю лучистой энергии расходуется на перемещение воздуха, испарения воды, выветривание горных пород, растворение минералов и т. п. В течение длительного времени образующиеся в море напластования могут возвращаться на поверхность суши, и процессы возобновляются. К этим циклам подключается вулканическая деятельность, землетрясения, движение океанических плит в земной коре.
Круговорот воды, включающий ее переход из жидкого в газообразное и твердое состояние и обратно, - один из главных компонентов абиотической циркуляции веществ. В процессе гидрологического цикла происходит перераспределение и очистка планетарного запаса воды. Вода испаряется (за счет солнечной энергии), выпадает в виде осадков, излишки воды с суши стекают в озера и реки, а оттуда снова в океан.
На базе большого геологического круговорота возникает круговорот органических веществ, или малый, биологический.
В основе малого круговорота веществ лежат процессы синтеза и разрушении органических соединений. Эти два процесса обеспечивают жизнь и составляют одну из главных ее особенностей. Малый круговорот характеризуется ничтожным количеством энергии. На создание органических веществ затрачивается всего около 1% падающей на Землю лучистой энергии. Однако совершается огромная работа по созиданию живого (органического) вещества. Чтобы жизнь продолжала существовать, химические элементы должны постоянно циркулировать из внешней среды в живые организмы и обратно. Все химические элементы участвуют и в большом, и в малом круговороте. В малом они взаимодействуют с органическими (живыми) веществами. Например, рассмотрим круговорот между живыми и косными (неорганическими) веществами – круговорот углерода. Это основной строительный материал молекул, важных для жизни органических соединений. Растения получают его, поглощая СО2 из атмосферы в процессе фотосинтеза. Поступление углекислого газа в атмосферу происходит в результате дыхания всех организмов, минерализации органических веществ (разложение, гниение), сжигания древесины и топлива.
Круговорот азота. Воздух по объему почти на 80% состоит из азота, все живые организмы нуждаются в азоте, но лишь некоторые микроорганизмы могут использовать газообразный азот из атмосферы и превращать его в формы, усвояемые растениями. Например, бактерии в клубеньках бобовых таким образом перерабатывают 150 – 400 кг/га азота в год. Ежегодно в круговороте биотическим сообществом усваивается около 109 т азота. В масштабе биосферы круговорот азота относительно совершенен. Человек хотя и влияет как на потребление азота, так и на поступление его в атмосферу, эти потоки сбалансированы и не меняют его концентрацию в воздухе, в отличие от потоков СО2 , которые ведут к накоплению газообразного углерода в атмосфере.
В организме человека содержатся минеральные вещества в различных дозах, которые необходимы для жизнедеятельности: калий регулирует сердечно-сосудистую деятельность, калий влияет на костный скелет, йод – на эндокринную систему и т. д. Существует круговорот между живыми веществами. Живые вещества состоят из трех групп организмов.
1. Продуценты — организмы, которые из простых неорганических веществ создают органические. Это зеленые растения, которые путем фотосинтеза, используя солнечный свет, воду, углекислый газ, создают органическую массу. Ежегодно растения создают на Земле около 150 млрд т органического вещества, аккумулирующего солнечную энергию.
2. Консументы — используют в качестве источника энергии и питательного материала готовое органическое вещество. Их делят на фитофагов и зоофагов. Фитофаги (консументы первого порядка) питаются растительными организмами. Зоофаги - хищники, питаются другими животными, консументами первого порядка. Это консументы второго (и высших) порядка.
3. Редуценты (восстанавливающие) или деструкторы (разрушающие) участвуют в последней стадии разрушения, т. е. в минерализации органических веществ, которые они восстанавливают до неорганических соединений (СО2, Н2О и др.). Редуценты очищают окружающую среду от отходов, они возвращают вещества в круговорот, превращая иъ в формы, доступные для продуцентов. Например, мертвое животное или растение, находясь в земле, сначала разрушается, затем разлагается, гниет, при этом выделяется тепло, углекислый газ, вода, т. е. происходит минерализация. Таким образом жизненный цикл возобновляется.