ТЕМА 6. ФУНКЦИИ ЖИВОГО ВЕЩЕСТВА. БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ ВЕЩЕСТВ

Функции живого вещества в биосфере:

энергетическая - поглощение солнечной энергии в процессе фотосинтеза, а химической энергии-путем разложения энергонасыщенных веществ; передача энергии кормовыми цепями разнородной живого вещества;

концентрационная - избирательное накопление в ходе жизнедеятельности определенных видов веществ: а) используемых для создания тела организма; б) выделенных из нее в процессе метаболизма;

деструктивная - минерализация небиогенного органического вещества; разложение неживого органического вещества; вовлечение образовавшихся веществ в биохимический круговорот;

средотворная - преобразования химико-физических параметров среды (главным образом за счет небиогенного вещества);

транспортная - перенос веществ против силы тяжести и в горизонтальном направлении.

Геологический круговорот веществ имеет наибольшую скорость в горизонтальном направлении между сушей и морем. Смысл большого кругооборота заключается в том, что горные породы распадаются, выветриваются, а продукты выветривания, в том числе растворенные в воде питательные вещества, сносятся потоками воды в Мировой океан, образуя морские напластования и возвращаются на сушу лишь частично, например, с осадками. Далее на протяжении долгого периода времени протекают медленные геотектонические изменения - движение материков, поднятие и опускание морского дна, вулканические извержения и т. д. В результате которых образованные напластования возвращаются на сушу и процесс начинается вновь.

Биологический круговорот является частью большого и происходит на уровне биогеоценозов. Он заключается в том, что питательные вещества почвы, воды, CO₂ и других веществ из атмосферы за счет фотосинтеза аккумулируются в веществе продуцентов (растений и некоторых бактерий), используются для построения тела и жизненных (обменных) процессов продуцентов и консументов. Далее, в основном за счет редуцентов, органические вещества разлагаются и частично минерализуются, снова становятся доступными растениям и вновь ними втягиваются в поток веществ (круговорот). Скорость перемещения веществ при биологическом круговороте значительно выше, чем при геологическом.

Биологический круговорот характеризуется:

- емкостью - количеством химических элементов, находящихся одновременно в составе живых веществ экосистемы;

- скоростью - количеством живых веществ, которые создаются и распадаются за единицу времени.

Кроме круговорота вещества и энергии, огромную роль в биосфере имеют информационные связи. Информативные сигналы энергетически очень слабы и сами не могут вызвать какой-либо ощутимой реакции, но они содержат важные сведения в закодированной форме. Эти сигналы воспринимаются, расшифровываются (в основном автоматически) и учитываются живыми организмами. Обрабатывать, накапливать и использовать информацию отдельно от энергии могут лишь живые организмы.

Для постоянного существования биосферы, для предотвращения прекращения развития жизни на Земле в природе должны постоянно происходить непрерывные процессы превращения ее живого вещества.

Биологический круговорот - это многократное участие химических элементов в процессах, протекающих в биосфере.

Причина кругооборота - ограниченность элементов, из которых строится тело организмов.

В биосфере происходит постоянный круговорот активных элементов, которые переходят от организма к организму, в неживую природу и снова в организм. Элементы, которые высвобождаются микроорганизмами при разложении, поступают в почву и атмосферу, снова включаются в круговорот веществ биосферы, поглощаясь живыми организмами. Весь этот процесс и будет биогенной миграцией атомов.

Для биогенной миграции характерно накопление химических элементов в живых организмах, а также их высвобождения в результате разложения мертвых организмов. Биогенная миграция вызывается тремя процессами:

- обменом веществ в организмах;

- ростом;

- размножением.

Определение биогенной миграции химических элементов, которая вызвана силами жизни, дал B.И. Вернадский (закон биогенной миграции атомов). Биогенная миграция является частью общей миграции химических элементов биосферы. Главной геохимической особенностью живого вещества является то, что оно, пропуская через себя атомы химических элементов земной коры, гидросферы и атмосферы, осуществляет в процессе жизнедеятельности их закономерную дифференциацию. Завершая свой жизненный цикл, организмы возвращают природе все, что взяли у нее в течение жизни.

Различают два типа биогенной миграции, первый из них осуществляется микроорганизмами, а второй - многоклеточными организмами. Величина миграции первого типа преобладает над вторым. Человечество овладело миграцией третьего типа, которая идет под влиянием его деятельности.

Кроме того, различают большой (геологический) и малый (биологический) круговорот и круговороты различных природных ресурсов (ресурсные циклы).

Большой (геологический) круговорот.

Изверженные глубинные породы мантийного происхождения (базальты) тектоническими процессами выводятся из недр Земли в биосферу. Под влиянием солнечной энергии и живого вещества они выветриваются, переносятся, откладываются, превращаясь разнообразные осадочные породы, где запасается солнечная энергия (из изверженных минералов образуются глины, а вулканические газы переходят в уголь и нефть).

Затем за счет тектонических движений осадочные породы попадают в зоны высоких давлений и температур (а также радиоактивного распада и гравитационной дифференциации) и превращаются в гранитные породы с более высоким уровнем энергии, чем у осадочных пород. Кристаллизируются изверженные породы опять за счет восходящих тектонических движений попадают в биосферу. Таким образом цикл завершается, но уже на новом уровне, ибо из исходных базальтов образовались изверженные породы гранитного состава.

Малый биологический круговорот (трансформация) веществ в биосфере.

В каждой экосистеме круговорот веществ происходит в результате взаимодействия автотрофов и гетеротрофов.

Углерод, водород, кислород, азот, сера и фосфор и около 30 простых веществ, которые необходимы для образования живого вещества, непрерывно превращаются в органические вещества или поглощаются в виде неорганических компонентов автотрофами, а автотрофы используются гетеротрофами (сначала консументами, а потом деструкторами). таким образом, биогенные элементы непрерывно циркулируют: растворяются в континентальных водах, выносимых в моря или попадают в атмосферу, а между этими средами происходит постоянный газообмен, т. е. происходит биологический круговорот атомов. Суть круговорота в том, что образование живого вещества и разложение органического вещества - две стороны единого процесса.

В процессе биологического круговорота атомы поглощаются живым веществом и заряжаются энергией, затем покидают живое вещество, отдавая энергию в окружающую среду. За счет биогенной энергии происходит большинство химических реакций. Биологические круговороты могут быть разных масштабов и разной продолжительности - от быстрого круговорота в почве, реке, озере к длительному, который обнимает всю биосферу.

Биологический круговорот обратный не полностью, часть веществ постоянно выходит из круговорота и оседает в толщине осадочных пород в виде органогенных известняков, гумуса, торфа и т. п. В результате кругооборота биосфера (или другая экосистема) не возвращается в исходное состояние: для биосферы характерно поступательное движение, поэтому эмблемой биологического цикла является не круг, а циклоид (спираль).

Следовательно, круговорот веществ в природе направляется совместным действием как биологических, так и геохимических и геофизических сил.

Влияние антропогенного фактора на круговорот.

В сравнении с длительностью существования биосферы человек существует чрезвычайно малое время.

Человек небывало ускорил круговорот некоторых веществ - месторождения железа, цинка, свинца и других элементов, которые природа накапливала миллионы лет, быстро исчерпываются. Человек быстрыми темпами использует солнечную энергию «былых биосфер», запасенную в угле, нефти, природном газе, она высвобождает энергию, что содержится в уране. Все это увеличивает неуравновешенность биосферы. Создавая водохранилища, доставая воду из глубинных водоносных горизонтов, человек вмешивается в круговорот воды в природе.

Человеку следует четко представить, что он пытается построить для себя и своих потомков, потому что ничего из того, что делается с природой, исправить невозможно.

С экологической точки зрения наиболее важными являются круговороты веществ, которые являются основными компонентами живого вещества:

- круговорот кислорода;

- круговорот углерода;

- круговорот воды;

- круговорот азота;

- круговорот серы;

- круговорот фосфора.

Круговорот кислорода

Кислород является наиболее распространенным элементом на Земле. В морской воде содержится 85,82% кислорода, в атмосферном воздухе 23,15% по весу или 20,93% по объему, а в земной коре 47,2% по весу. Такая концентрация кислорода в атмосфере поддерживается постоянной благодаря процессу фотосинтеза. В этом процессе зеленые растения под действием солнечного света превращают диоксид углерода и воду в углеводы и кислород. Главная масса кислорода находится в связанном состоянии; количество молекулярного кислорода в атмосфере оценивается в 1,5*10¹⁵ т, что составляет всего лишь 0,01% от общего содержания кислорода в земной коре. В жизни природы кислород имеет исключительное значение.

Кислород и его соединения незаменимы для поддержания жизни. Они играют важнейшую роль в процессах обмена веществ и дыхания. Кислород входит в состав белков, жиров, углеводов, из которых "построены" организмы; в человеческом организме, например, содержится около 65% кислорода.

Большинство организмов получают энергию, необходимую для выполнения их жизненных функций, за счет окисления тех или иных веществ с помощью кислорода. Уменьшение количества кислорода в атмосфере в результате процессов дыхания, гниения и горения возмещается кислородом, выделяющимся при фотосинтезе. Вырубка лесов, эрозия почв, различные горные выработки на поверхности уменьшают общую массу фотосинтеза и снижают круговорот на значительных территориях. Наряду с этим, мощным источником кислорода является, по-видимому, фотохимическое разложение водяного пара в верхних слоях атмосферы под влиянием ультрафиолетовых лучей солнца. Таким образом, в природе непрерывно совершается круговорот кислорода, поддерживающий постоянство состава атмосферного воздуха.

Кроме описанного выше круговорота кислорода в несвязанном виде, этот элемент совершает еще и важнейший круговорот, входя в состав воды. Круговорот воды (H₂O) заключается в испарении воды с поверхности суши и моря, переносе ее воздушными массами и ветрами, конденсации паров и последующее выпадение осадков в виде дождя, снега, града, тумана.

Круговорот углерода

Углерод по распространенности на Земле занимает шестнадцатое место среди всех элементов и составляет приблизительно 0,027% массы земной коры. В несвязанном состоянии он встречается в виде алмазов (наибольшие месторождения в Южной Африке и Бразилии) и графита (наибольшие месторождения в ФРГ, Шри-Ланке и России). Каменный уголь содержит до 90% углерода. В связанном состоянии углерод входит также в разные горючие ископаемые, в карбонатные минералы, например, кальцит и доломит, а также в состав всех биологических веществ. В форме диоксида углерода он входит в состав земной атмосферы, в которой на его долю приходится 0,046% массы.

Углерод имеет исключительное значение для живого вещества (живым веществом в геологии называют совокупность всех организмов, населяющих Землю). Из углерода в биосфере создаются миллионы органических соединений. Углекислота из атмосферы в процессе фотосинтеза, осуществляемого зелеными растениями, ассимилируется и превращается в разнообразные органические соединения растений. Растительные организмы, особенно низшие микроорганизмы, морской фитопланктон, благодаря исключительной скорости размножения продуцируют в год около 1,5*10¹¹т углерода в виде органической массы. Растения частично поедаются животными (при этом образуются пищевые цепи). В конечном счете, органическая масса в результате дыхания, гниения и горения превращается в углекислый газ или отлагается в виде сапропеля, гумуса, торфа, которые, в свою очередь, дают начало многим другим соединениям - каменному углю, нефти.

В процессах распада органических веществ, их минерализации огромную роль играют бактерии (например, гнилостные), а также много грибов (например, плесневые). В активном круговороте «углекислый газ - живое вещество» участвует очень небольшая часть всей массы углерода. Огромное количество углекислоты законсервировано в виде ископаемых известняков и других пород.

Между углекислым газом атмосферы и водой океана существует подвижное равновесие. Организмы поглощают углекислый кальций, создают свои скелеты, а затем из них образуются пласты известняков. Атмосфера пополняется углекислым газом благодаря процессам разложения органического вещества, карбонатов и т. д. Особенно мощным источником являются вулканы, газы которых состоят главным образом из паров воды и углекислого газа.

Круговорот азота

Азот входит в состав земной атмосферы в несвязанном виде в форме двухатомных молекул. Примерно 78% всего объема атмосферы приходится на долю азота. Кроме того, азот входит в состав растений и животных организмов в форме белков. Растения синтезируют белки, используя нитраты из почвы. Нитраты образуются там из атмосферного азота и аммонийных соединений, имеющихся в почве. Процесс превращения атмосферного азота в форму, которая усваивается растениями и животными, называется связыванием (или фиксацией) азота.

При гниении органических веществ значительная часть содержащегося в них азота превращается в аммиак, который под влиянием живущих в почве нитрифицирующих бактерий затем окисляется в азотную кислоту. Последняя, вступая в реакцию с находящимися в почве карбонатами, например, с карбонатом кальция СаСО₃, образует нитраты:

2HNО₃ + СаСО₃ = Са(NО₃)₂ + СО₂ + Н₂О.

Некоторая же часть азота всегда выделяется при гниении в свободном виде в атмосферу. Свободный азот выделяется также при горении органических веществ, при сжигании дров, каменного угля, торфа. Кроме того, существуют бактерии, которые при недостаточном доступе воздуха могут отнимать кислород от нитратов, разрушая их с выделением свободного азота. Деятельность этих денитрифицирующих бактерий приводит к тому, что часть азота из доступной для зеленых растений формы (нитраты) переходит в недоступную (свободный азот). Таким образом, далеко не весь азот, входивший в состав погибших растений, возвращается обратно в почву; часть его постепенно выделяется в свободном виде.

Непрерывное уменьшение минеральных азотных соединений давно должно было бы привести к полному прекращению жизни на Земле, если бы в природе не существовали процессы, возмещающие потери азота. К таким процессам относятся, прежде всего, электрические разряды в атмосфере, при которых всегда образуется некоторое количество оксидов азота; последние с водой дают азотную кислоту, превращающуюся в почве в нитраты. Другим источником пополнения азотных соединений почвы является жизнедеятельность так называемых азотобактерий, способных усваивать атмосферный азот. Некоторые из этих бактерий поселяются на корнях растений из семейства бобовых, вызывая образование характерных вздутий - "клубеньков", почему они и получили название клубеньковых бактерий. Усваивая атмосферный азот, клубеньковые бактерии перерабатывают его в азотные соединения, а растения, в свою очередь, превращают последние в белки и другие сложные вещества.

Таким образом, в природе происходит непрерывный круговорот азота. Однако ежегодно с урожаем с полей убираются наиболее богатые белками части растений, например, зерно. Поэтому в почву необходимо вносить удобрения, возмещающие ущерб в ней важнейших элементов питания растений. В основном используются нитрат кальция Ca(NO₃)₂, нитрат аммония NH₄NO₃, нитрат натрия NаNO₃, и нитрат калия KNO₃. Например, в Таиланде используются листья лейкайены как органическое удобрение. Лейкайена относится к бобовым растениям и, как и все они, содержит очень много азота. Поэтому ее можно использовать вместо химического удобрения.

В последнее время наблюдается повышения содержания нитратов в питьевой воде, главным образом за счет усиления использования искусственных азотных удобрений в сельском хозяйстве. Хотя сами нитраты не так уж опасны для взрослых людей, в организме человека они могут превращаться в нитриты. Кроме того, нитраты и нитриты используются для обработки и консервирования многих пищевых продуктов, в том числе ветчины, бекона, солонины, а также некоторых сортов сыра и рыбы. Отдельные ученые считают, что в организме человека нитраты могут превращаться в нитрозамины: Известно, что нитрозамины способны вызывать онкологические заболевания у животных. Большинство из нас уже подвергается воздействию нитрозаминов, которые в небольшом количестве находятся в загрязненном воздухе, сигаретном дыме и некоторых пестицидах. Полагают, что нитрозамины могут быть причиной 70-90% случаев онкологических заболеваний, возникновение которых приписывают действию факторов окружающей среды.

Круговорот фосфора

Источником фосфора биосферы является главным образом апатит, встречающийся во всех магматических породах. В превращениях фосфора большую роль играет живое вещество. Организмы извлекают фосфор из почв, водных растворов. Усвоение фосфора растениями во многом зависит от кислотности почвы. Фосфор входит в многочисленные соединения в организмах: белки, нуклеиновые кислоты, костная ткань, лецитины, фитин и другие соединения; особенно много фосфора входит в состав костей. Фосфор жизненно необходим животным в процессах обмена веществ для накопления энергии. С гибелью организмов фосфор возвращается в почву и в илы морей. Он концентрируется в виде морских фосфатных конкреций, отложений костей рыб, что создает условия для образования богатых фосфором пород, которые в свою очередь являются источником фосфора в биогенном цикле.

Содержание фосфора в земной коре составляет 0,08-0,09 % ее массы. В свободном состоянии фосфор в природе не встречается вследствие его легкой окисляемости. В земной коре он находится в виде минералов (фторапатит, хлорапатит, вивианит и др.), которые входят в состав природных фосфатов - апатитов и фосфоритов. Фосфор имеет исключительное значение для жизни животных и растений.

Так как растения забирают из почвы значительное количество фосфора, а естественное пополнение фосфорными соединениями почвы незначительно, то внесение в почву фосфорных удобрений является одним из важнейших мероприятий по повышению урожайности. Ежегодно в мире добывают примерно 125 млн. т фосфатной руды. Большая ее часть расходуется на производство фосфатных удобрений.

Круговорот серы

Круговорот серы также тесно связан с живым веществом. Сера в виде SO₂, SO₃, H₂S и элементарной серы выбрасывается вулканами в атмосферу. С другой стороны, в природе в большом количестве известны различные сульфиды металлов: железа, свинца, цинка и др. Сульфидная сера окисляется в биосфере при участии многочисленных микроорганизмов до сульфатной серы почв и водоемов. Сульфаты поглощаются растениями. В организмах сера входит в состав аминокислот и белков, а у растений, кроме того, - в состав эфирных масел и т. д. Процессы разрушения остатков организмов в почвах и в илах морей сопровождаются очень сложными превращениями серы. При разрушении белков с участием микроорганизмов образуется сероводород. Далее сероводород окисляется либо до элементарной серы, либо до сульфатов. В этом процессе участвуют разнообразные микроорганизмы, создающие многочисленные промежуточные соединения серы. Известны месторождения серы биогенного происхождения. Сероводород может вновь образовать "вторичные" сульфиды, а сульфатная сера создает гипс. В свою очередь, сульфиды и гипс вновь подвергаются разрушению, и сера возобновляет свою миграцию.