Биосфера

 

2.2. Функции живого  вещества

 

Какие же функции живого вещества в биосфере?

В.И. Вернадский называет такие: а) газовая; б) кислородная; в) описательная; г) кальционная; д) восстановительная; е) концентрационная; ж) разрушения органических веществ; з) восстановительного распада; и) метаболизма и дыхания организмов.

А.В. Лапо перегруппировал названные Вернадским функции (табл. 1).

Таблица 1.

Основные функции живого вещества в биосфере

Функции	Краткая характеристика процессов
Энергетическая	Поглощение солнечной  энергии в процессе фотосинтеза, а химической энергии путем распада  энергонасыщенных веществ; передача энергии пищевыми цепями разнородного живого вещества
Концентрационная	Выборочное накопление в ходе жизнедеятельности отдельных  видов вещества: а) использованной для  создания тела организма; б) выделенной из него в процессе метаболизма
Деструкционная	Минерализация небиогенного органического вещества (1); разложение неживого неорганического вещества (2); всасывание созданных веществ в биохимический круговорот (3)
Средообразующая	Превращение физико-химических параметров среды (главным образом  за счет небиогенного вещества)
Транспортная	Перенос вещества против силы тяжести и в горизонтальном направлении

 

Первой названа энергетическая функция. «Только жизнь с его  морфологическим осложнением может  удерживать солнечное излучение  на Земле миллионы лет, как мы увидим на примере каменного угля. Действительно, только благодаря «зеленому экрану»  биосферы – фотоавтотрофам – солнечная энергия не просто отбивается от поверхности планеты, нагревая только поверхностный слой, а глубоко проникает в толщи земной коры и является энергетическим источником, по сути, для всех экзогенных процессов» [9].

Глава 3. Геохимические  циклы, круговороты кислорода, углекислого  газа, азота

 

В отличие от энергии, поступающей  от Солнца, дополнительному количеству дефицитного вещества взять его  неоткуда. Единственный возможный вариант  – использовать вещество многократно, иначе говоря, включить его в круговорот. Конечно, ни одна отдельно взятая группа организмов не может сама «организовать» круговорот нужного элемента. Обязательно  требуется несколько организмов, выполняющих совершенно разные операции, но всегда извлекающих для себя пользу. «Жизнь есть способ существования баиновых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней средой, причем с прекращением этого обмена веществ, прекращается и жизнь» [10].

К примеру есть организмы, не использующие солнечную энергию для построения сложных органических веществ из воды и углекислого газа – фотоавтотрофы. После их отмирания образуется запас органического вещества, представляющий немалую энергетическую ценность. Таким образом создаются условия для появления существ, которые могли бы жить за счет данного запаса (хемогетеротрофов). То, что в результате жизнедеятельности последней группы организмов получаются простые минеральные вещества (в первую очередь углекислый газ), использующиеся фотоавтотрофами в качестве строительных блоков, скорее счастливая случайность. Однако именно эта случайность обеспечила замыкание цикла миграции химических элементов.

Современные круговороты  тех или иных элементов, протекающие  с активным участием организмов, родилась не на пустом месте. Круговорот вещества существовал на Земле и до возникновения  жизни, и определялся он исключительно  физико-химическими процессами. Живые  же вещества вне зависимости от того, как и когда они появились, должны были встраиваться в уже существующий круговорот. При этом движение химических элементов становилось более  интенсивным и сложным.

Правда, иногда организмы, призванные разлагать органическое вещество до простых компонентов, не могли с  этим справиться по каким-либо причинам (например, было слишком холодно  для обмена вещества). В таком  случае часть вещества надолго выпадала из круговорота. Уголь, нефть и газ  – продукты подобных сбоев.

 

3.1. Круговорот  углекислого газа

 

Углекислый газ входит в состав всех органических веществ, а поэтому его круговорот наиболее распространен в природе (рис. ). Он осуществляется при помощи трех групп организмов: продуцентов, консументов, редуцентов. Органическое вещество синтезируется зелеными растениями в процессе фотосинтеза из углекислого газа атмосферы, содержание которого равно лишь 0,03-0,04%.

Если бы углекислый газ  пополнялся за счет поступления с  Земли, то его запасы исчерпались  бы за 4-35 лет.

В ближайшие 50-60 лет благодаря  увеличению сгорания горючих веществ  содержание углекислого газа в атмосфере  удвоится. Такие быстрые изменения  содержания углекислого газа в атмосфере, вследствие которого происходит так  называемый парниковый эффект (нагревание атмосферы инфракрасными лучами, благодаря содержанию в ней СО2), может привести к перегреву географической оболочки. Часть СО2 появляется при извержении вулканов и поступает из обогащенных или водных источников. Главный потребитель СО2 – фотосинтетический аппарат растений (рис. ).

Следует напомнить, что проявление фотосинтеза, которое является главным  компонентом движения вещества и  энергии в биосфере, стало известно только во второй половине 18 века. В 1772-1782 гг. Д.Пристли, Я. Ингенхауз и Ж. Сеисбье, дополняя друг друга, описали процесс воздушного углеродного поглощения, или фотосинтеза. Через столетие К.А.Тимирязев (1843-1920) раскрыл энергетическую закономерность фотосинтеза как процесса использования света для образования органического вещества в растениях. Механизм фотосинтеза был раскрыт американским биохимиком Кальвином, за что ему была присвоена Нобелевская премия. Сегодня под фотосинтезом понимают превращение зелеными растениями и фотосинтезирующими организмами лучистой энергии Солнца. Процесс фотосинтеза происходит при участии поглощающих свет пигментов (кислород и др.).

Попадая в клетку зеленого листа углекислый газ присоединяется к акцептору, с которым продолжает дальнейшие движения и превращения. Благодаря ферменту альдолязы образуется простой сахар – глюкоза, а из него – сахароза и крахмал. Часть синтезированного вещества в этом процессе переходит снова в акцептор – так образуется саморегулированный цикличный процесс. Далее с участием других ферментов сахара превращаются в белки, жиры и другие органические вещества, необходимые для жизни растений.

Основа реакции фотосинтеза  имеет такой вид: 6СО2+6Н2О+ С6Н12О6+6О2+, СО2+Н2О+ СН2О+О2.

За год растения суши и  океана усваивают почти 5×1010 т углерода, разлагают 1,3×1011 т воды, выделяют 1,2×1011 т молекулярного кислорода и запасают 4×1017 ккал энергии продуктов фотосинтеза, что в 100 раз превышает производство энергии всеми электростанциями мира.

Годовой круговорот массы  СО2 на суше определяется как массой складывающих его звеньев биосферы, так и количеством, которое захватывает каждое звено (т/год):

Суммарный захват фотосинтезом 60×109

Возвращение от дыхания 48×109

Поступления в гумосферу и консервация в многогодовых

фитоценозах 10×109

Захоронение в осадочной  толще литосферы, включая реакцию  СО2 1×109

Поступление от сгорания топлива 9×109

В гидросфере круговорот СО2 значительно сложнее, чем на суше. Решительную роль тут играет Мировой океан, который аккумулирует вынесенный реками с суши углерод в форме карбонатных и органических соединений. Возвращение углерода с океана или суши происходит с большим дефицитом, главным образом, воздушными потоками в виде СО2. Наличие углекислого газа в гидросфере зависит от поступления кислорода в верхние слои как из атмосферы, так и из нижних слоев воды. В общем выражении годовой круговорот массы углерода в Мировом океане почти вдвое меньше, чем на суше:

Суммарный захват в процессе фотосинтеза 30×109

Возврат в водную среду  от дыхания и распада

органического вещества 26×109

Выпадение в донный осадок 1,5×109

Поступление из атмосферы  от сгорания топлива 1×109

То же с речным стоком 0,6×109

Переход в растворе органического  соединения 10,9×109

Много углерода изымается  с биологического круговорота вещества и попадает в океан в виде углекислых солей. Эти соли, особенно САСО3, тратятся на построение панцирей животных, очень  много их и в морской воде. Если в атмосфере возрастает содержание СО2, часть его растворяется в воде, вступает в реакцию с карбонатом кальция, образуя растворенный в воде бикарбонат кальция. И, наоборот, при снижении содержания углекислого газа в атмосфере бикарбонаты, которые всегда содержаться в морской воде, превращаются в карбонаты кальция, которые выпадают с раствора, используются организмами для построения скелетов или панцирей, оседают на морское дно. Реакция имеет такой вид: Са(НСО3)2=СаСО3+Н2О+СО2.

Суммарное количество углекислого  газа на планете составляет не меньше 2,3×1012 т, тогда как содержание его в Мировом океане оценивает в 1,3×1012 т. В литосфере в связанном состоянии находится 2×1017 т углекислого газа. В живом веществе биосферы содержится около 1,5×1017 т (почти столько, сколько во всей атмосфере). Углекислый газ атмосферы и гидросферы обменивается и обрабатывается живыми организмами за 300 лет (рис.)

 

3.2. Круговорот  азота

 

Азот, который является олицетворением белковой жизни в биосфере в основном сосредоточенный в атмосфере, где  его часть составляет около 78%. То есть на 1 га поверхности Земли приходится толща воздуха с приблизительно 80 тыс. т азота. Однако в таком виде он недоступен растениям. В круговороте соединений азота очень большое значение отводится микроорганизмам и азотофиксаторам. Только благодаря им элементарный азот с воздуха поступает в почву.

Наибольшую роль в этих процессах играют пузырчатые бактерии, которые тесно сотрудничают с  бобовыми растениями. При высоком  урожае этих растений можно обогатить  почву около 400 кг азота на 1 га. Если даже урожай этих растений будет вывезен  с поля, значительная часть азота  останется с корнями в почве.

Количество азота, свзанного биологическим круговоротом, является неодинаковым в разных экосистемах. Например, на пропаханной земле – 7-28 кг/га за год, на сенокосах с участием злаковых трав и бобовых – 73-865, а в лесах – 58-594 кг/га за год. Подобным образом некоторые лишайники фиксируют азот при помощи симбиотических сине-зеленых водорослей.

Известно, что Ю. Либих (1843) сформулировал утверждение, согласно которому растения могут полностью  обеспечить свои потребности азотом, который поступает в землю  вместе с атмосфреными осадками (27 кг/га). Однако уже через несколько лет В.И. Лавес и И.Г. Гильберт, изучив баланс азота в плодоношении, доказали, что дополнительный внос азота в почву является необходимым, что признал и сам Ю. Либих.

Возникновение в атмосфере  окисей азота связано с газовыми электрическими разрядами. Окиси азота  образуют с водой азотную и  азотистую кислоту: N2+O2®2NO, 2NO+O2®2NO2, 2NO2+H2O®HNO2+HNO3.

Эти кислоты вместе с атмосферными осадками попадают в почву. Количество азота, которое она получает, является очень разным и зависит, прежде всего, от климатических условий, особенно от количества и частоты осадков, времен года, температуры и др. В умеренном климате это количество составляет несколько килограммов за год, а в тропическом, где наблюдается частые бури, его значительно больше, но в среднем не более 10 кг.

В атмосферу азот в определенных количествах поступает с почв. Это происходит с участием микроорганизмов  во время минерализации органической материи, когда в процессе аммонификации  выделяется аммиак. Биологическая фиксация молекулярного азота микроорганизмами, как теми, что свободно передвигаются, так и симбионтами (пузырчатыми), происходит в автотрофном и гетеротрофном блоках биогеоценозов. Для круговорота азота необходимыми является молибден, который в отдельных случаях выступает как лимитирующий фактор. Несмотря на огромные запасы этого элемента в атмосфере и в осадочной оболочке литосферы, в круговороте принимает участие только фиксированный микроорганизмами азот.

К этой категории азота  обменного фонда входят: а) азот годовой  продукции биомассы; б) азот биологической  фиксации бактериями и другими организмами; в) вулканический азот; г) атмосферный (фиксированный в момент грозового  разряда); д) техногенный.

В большой круговорот в се время поступает часть азота в виде разных соединений, которые реками выносятся в моря. Содержание соединений азота наибольшей в районах, где в океан впадают большие реки, наименьший – в центральных частях океанов. Азотосодержащие соединения используются водорослями для синтеза органических веществ и поступает в круговорот океана, часть постепенно оседает на дно. То есть вынос азота на суше не увеличивает его концентрации в морской воде.

Граница азота, связанного в  биомассе суши, составляет 14020 млн. т, а  в зольных элементах – 34062 млн. т азота и 2762 млн. т зольных  элементов. В биомассе Мирового океана этих элементов в 1000 раз меньше. Однако, благодаря многоразовому воспроизводству организмов планктона через них на протяжении года проходит азота и зольных элементов больше, чем на суше: азота – 2762 млн. т, зольных элементов – 12274 млн. т.

Если рассматривать круговорот азота в масштабах биосферы, то благодаря саморегулирующим механизмам и обратной связи он считается  достаточно идеальным (рис. ). Часть азота, который производится в густонаселенных районах, в пресной воде и мелководных морях, выносится в глубоководные океанические отложения и остается там, исключаясь на миллионы лет с круговорота. Эти потери компенсируются поступлением азота в воздух с вулканическими газами.

 

3.3 Круговорот кислорода  и водорода

 

Кислород и водород  входят в состав всех органических соединений. Они поглощаются продуцентами в составе воды и углекислого  газа в процессе фотосинтеза, всеми  другими организмами, с органическим веществом, созданным продуцентами, во время дыхания (из атмосферы или  водного раствора) и потребления  питьевой воды. как конечные продукты биологического круговорота, водород и часть кислорода возвращается в неживую среду так же в виде воды, а кислород, кроме того, выделяется в молекулярной форме в атмосферу растениями-продуцентами как один из конечных продуктов фотосинтеза.