 |
|
|
ГЕОХИМИЯ ЛАНДШАФТА |
Глава 3 БИОГЕННАЯ МИГРАЦИЯ
|
Смотрите также:
История атомов и география - Перельман
Биографии геологов, почвоведов
|
На земной поверхности нет химической силы, более постоянно действующей, а потому и более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом... Живое вещество охватывает и перестраивает все химические процессы биосферы, действенная его энергия по сравнению с энергией косного вещества в историческом времени огромна. В.И. ВЕРНАДСКИЙ
Совокупность живых организмов, выраженную в единицах массы и энергии, В.И. Вернадский назвал живым веществом.
Можно говорить о живом веществе всей планеты, отдельных материков, стран, морей, ландшафтов. При таком подходе геохимическая деятельность организмов вполне сравнима с действием других, хорошо изученных в науках о Земле факторов. "Прилагая новую мерку изучения жизни, совершенно отличную от обычной, мы подходим к явлениям и перспективам до сих пор невиданным", — писал ученый. Понятие о живом веществе — главное в гениальных построениях В.И. Вернадского. С этим понятием связан переворот в науках о Земле, создание учения о биосфере. Науку о влиянии жизни на геохимические процессы Вернадский назвал биогеохимией. Первые десятилетия она развивалась медленно, встречала и возражения.
Одна из причин была связана с исключительной дисперсностью жизни, ничтожностью геологической роли отдельного организма по сравнению с работой рек, ледников, ветра, вулканов, моря и т.д. Казалось, удел организмов — приспосабливаться к обстановке, создаваемой этими могучими силами природы. Чтобы оценить геологическое значение жизни, понадобилось к работе организмов подойти с другой меркой, рассмотреть работу живого вещества в целом. Идеи Вернадского получили широкое распространение только в современную эпоху в связи с остро вставшей проблемой загрязнения окружающей среды. Выяснилось, что биогеохимия — одна из теоретических основ решения данной проблемы.
По В.И. Вернадскому, живое вещество, захватывая энергию Солнца, создает химические соединения, при распаде которых эта энергия освобождается в форме производящей химическую работу. Это и привело ученого к выводу, что живые организмы не второстепенные участники геологических процессов, лишь оказывающие влияние на общий ход неорганических явлений в земной коре, а главный фактор миграции химических элементов: "... все бытие земной коры, по крайней мере 90% по весу массы ее вещества, в своих существенных, с геохимической точки зрения, чертах обусловлено жизнью", — писал он в 1934 г.
Геологический эффект деятельности отдельного организма бесконечно мал, но так как число организмов бесконечно велико и действуют они практически в течение бесконечно большого промежутка времени, то в итоге получается величина конечная и к тому же грандиозная. Преобразуя энергию солнечных лучей в потенциальную, а затем и кинетическую энергию геохимических процессов, организмы изменили химический состав земной коры. Эта их работа в наибольшей степени сосредоточена в ландшафтах суши и поверхностных слоях моря.
Биогенная миграция химических элементов в ландшафте определяется двумя противоположными и взаимосвязанными процессами:1) образованием живого вещества из элементов окружающей среды; 2) разложением органических веществ. В совокупности эти процессы образуют единый биологический круговорот атомов — бик.
Образование живого вещества
Образование живого вещества из неорганических соединений окружающей среды происходит преимущественно в результате фотосинтеза зеленых растений по следующей суммарной реакции: СО2 + Н2О + световая энергия и хлорофилл [СН2О] + 02-
Из СО2 и Н2О под влиянием хлорофилла или другого пигмента, играющего роль катализатора, и солнечной энергии зеленые растения синтезируют углеводы и другие органические соединения, условно изображаемые как [СН2О]. Одновременно в результате разложения воды выделяется свободный 02- Исходные вещества фотосинтеза — СО2 и Н2О на земной поверхности не являются ни окислителями, ни восстановителями. В ходе фотосинтеза эта "нейтральная среда" раздваивается на противоположности: возникает сильный окислитель — свободный кислород и сильные восстановители — органические соединения (вне организмов растений разложение СО2 и Н2О возможно только при высоких температурах, например, в магме, в доменных печах). С и Н органических соединений, а также выделившийся при фотосинтезе свободный О "зарядились" солнечной энергией, поднялись на более высокий энергетический уровень, стали "геохимическими аккумуляторами".
Углеводы и другие продукты фотосинтеза, передвигаясь из листьев в стебли и корни, вступают в сложные реакции, в ходе которых создается все разнообразие органических соединений растений. Однако растения состоят не только из С, Н и О, но также из N, Р, К, Са, Fe и других химических элементов, которые они получают в виде сравнительно простых минеральных соединений из почв или водоемов. Поглощаясь растениями, эти элементы входят в состав сложных богатых энергией органических соединений (N и S — в белки, Р — в нуклеопротеиды и т.д.) и также становятся геохимическими аккумуляторами. Данный процесс называется биогенной аккумуляцией минеральных соединений, благодаря которой элементы переходят в менее подвижное состояние, т.е. миграционная способность их понижается. Все остальные организмы — животные, подавляющая часть микроорганизмов и бесхлорофильные растения (например, грибы) являются гетеротрофа- ми, т.е. они не способны создавать органические вещества из минеральных и необходимые органические соединения получают от зеленых растений.
В 1890 г. С.Н. Виноградский (1856—1953) открыл микроорганизмы Nitro- somanos (1) и Nitrobacter (2), способные окислять аммиак и не нуждающиеся в органических соединениях как источнике энергии: 1) 2NH3 + 302 = 2HN02 + 2Н20 + 660,7 кДж 2) 2HN02 + 02 = 2HN03 + 180,6 кДж
Энергия, выделяющаяся при окислении, используется микроорганизмами для синтеза органических веществ из С02 и Н20, минеральных солей. Позднее были обнаружены и другие аналогичные автотрофные микроорганизмы, окисляющие S и H2S, Fe^+, Mn2+, Sb3+, Н2, СНф Эти процессы названы хемосинтезом.
Ранее считалось, что жизнедеятельность микроорганизмов ограничена температурой около ЮО^С, так как при более высоких температурах денатурируется белок — основа жизни. Однако в 1977—1979 гг. на дне Тихого океана в местах выхода гидротерм были открыты бактерии хемосинтетики, живущие при 300°С. Это открытие исключительно важно и раздвигает границы биосферы.
Хемосинтез играет определенную роль в круговороте ряда химических элементов, но его значение в образовании живого вещества по сравнению с фотосинтезом ничтожно.
Рассмотрим образование живого вещества и с информационных позиций. В растениях синтезируется огромное количество различных органических соединений — углеводов, белков, жиров и др. Животные, некоторые растения и микроорганизмы, не способные создавать органические соединения из С02 и Н20, используя белки, жиры, углеводы и другие вещества растений, синтезируют новые белки, жиры, углеводы своего тела. Так образуются сотни тысяч органических соединений. Это приводит к резкому росту химической информации — "информационному взрыву". Напомним, что число известных природных неорганических соединений — минералов измеряется тысячами и вряд ли намного превысит 10 ООО. Еще важнее, что при образовании живого вещества происходит качественное изменение информации, возникает более сложный ее вид — биологическая информация. Она еще более разнообразна, так как известны сотни тысяч видов растений и миллионы видов животных.
Итак, при образовании живого вещества происходит аккумуляция энергии, увеличивается разнообразие, растет информация, возникает новый более сложный ее вид — биологическая информация, увеличиваются упорядоченность, сложность, организация природы, растет негэнтропия, уменьшается информационная и термодинамическая энтропия.
Для многих элементов в органических соединениях характерны ковалентные и другие неионные связи, в то время как в неорганических соединениях более типичны ионные связи. Поэтому поведение Са, Mg, К, Fe и других элементов в живом веществе и вне его резко различно.
За миллиарды лет растения практически очистили земную атмосферу от СО2 и обогатили ее кислородом. "Воздух, которым мы дышим, создан жизнью" — писал В.И. Вернадский. В образовании О2 и поглощении СО2 заключается кислородно- углекислотная биогеохимическая функция живого вещества. Важное значение имеет и биохимическая функция, связанная с процессами, протекающими внутри организмов. Например, в результате размножения живое вещество быстро распространяется в пространстве, занимая все пригодные для жизни участки. Это Вернадский назвал "давлением жизни" и сравнил его с давлением газа. Скорость "растекания" жизни исключительно велика. Для холерного вибриона, например, она составляет 33 ООО см/с и даже для наиболее медленного слона 0,1 см/с.
Количество живого вещества
В живом веществе ландшафта абсолютно преобладает фитомасса, много меньше зоомассы и микроорганизмов. Обычно зоомасса не превышает 2% от массы растений и лишь изредка достигает 10%. В связи с этим энергетическая роль животных по сравнению с растениями мала, но, как отметил Г.Ф. Хильми, значение животных существенно в явлениях саморегулирования ландшафта. В зоомассе в 10—100 раз больше беспозвоночных, чем позвоночных, травоядные животные (фитофаги) в сотни и тысячи раз преобладают над хищниками. Так как зоомасса составляет незначительный процент биомассы, во всех дальнейших расчетах используются данные только о фитомассе.
По Н.И. Базилевич, общее количество фитомассы (Б) на Земле равно 2,4.10^ т сухого вещества (без воды). Расчет сделан на "восстановленный растительный покров", т.е. без учета вырубки лесов, распашки степей, орошения пустынь и т.д. Подавляющая часть фитомассы сосредоточена на материках, где она распределена крайне неравномерно: ее много в тропических лесах (6500 ц/га), меньше в южной тайге (около 3000 ц/га), еще меньше в черноземных степях (около 100 ц/га) и совсем мало в некоторых пустынях. Большая часть живого вещества представлена лесами (82% от фитомассы суши), среди которых преобладают леса тропиков (1,03.10^2 т). Фитомасса океана составляет лишь 1,7.1()8 т, т.е. 0,007% от всей фитомассы, зоомасса и микробиомасса — 3,3. 109 т. По количеству живого вещества на 1 га океан близок к пустыням, но и в нем есть сгущения жизни, к которым относятся, например, коралловые рифы, Саргассово море, выходы термальных вод, зона апвеллинга — подъема к поверхности глубинных вод, богатых Р и другими биоэлементами.
Важным геохимическим параметром является и ежегодная продукция живого вещества П, которая для Земли в целом составляет 2,3.10^1 т, причем на материках продуцируется 1,7.10^1 т, в океане — 6.10Ю т. В океане живого вещества меньше, но оно образуется и разлагается быстрее, чем на суше. За год его создается не намного меньше, чем на суше: на материках средняя годичная продукция фитомассы равна 115 ц/га, в океане — 17 (для планеты в целом — 45). Следовательно, в океане годичная продукция живого вещества П в 3000 раз больше фитомассы Б (на суше П < Б).
Масса живого вещества составляет ничтожную часть земной коры: если литосферу, — писал В.М. Гольдшмидт, — представить в виде каменной чаши массой в тринадцать фунтов, то масса поместившейся в ней гидросферы составит 1 фунт, масса атмосферы будет соответствовать медной монетке, а живого вещества — почтовой марке. Однако живое вещество — очень активная "действенная масса". Если в последние пятьсот миллионов лет (с начала ордовика) годичная продукция живого вещества была близка к современной, то суммарная продукция за это время превысила массу земной коры.
Каждый из основных параметров биогенеза — Б и П складывается из многих показателей: Продукция (П) Щ — общая ежегодная продукция П2 — зеленая продукция П3 — надземная продукция П4 — подземная продукция П5 — животная продукция Ilg — животные фитофаги Б7 — животные хищники П7 — животные хищники Особенно важны соотношения между ежегодной продукцией и биомассой: Щ : Б^ . 100 и др.
|
|
|
|
К содержанию книги: А.И. Перельман, Н.С. Касимов - Геохимия ландшафтов
|
Последние добавления:
Шаубергер Виктор – Энергия воды
Агрохимик и биохимик Д.Н. Прянишников
Тюрюканов. Биогеоценология. Биосфера. Почвы