Движение вещества в биосфере

Жизнь на планете развивается в условиях практически постоянного количества вещества. Это порождает особые механизмы, связанные в первую очередь с понятием “смерть”. Если бы не было смерти с последующим возвращением вещества в круговорот, жизнь не смогла бы существовать, тем более постоянно наращивать сложность форм.

Любой организм как открытая система существует в потоке вещества. Например, организм человека обновляет практически все вещество в среднем за семь лет.

Особенность биосферы, как организма, в том, что не существует сколько-нибудь существенного потока вещества из космоса или из недр Землю в биосферу и наоборот. Основные потоки вещества в биосфере организуются посредством круговоротов. Поэтому Землю часто сравнивают с “космическим кораблем”, в котором практически все ресурсы для существования находятся внутри, кроме энергии Солнца (метафорический образ Земли как космического корабля, жизнеобеспечение которого зависит от совместных усилий и разума всех его пассажиров и внутренних ресурсов, принадлежит американскому ученому К. Боулдингу (1966)).

1.6.1. Виды веществ биосферы

Можно выделить 5 видов веществ в биосфере: живое, косное, биокосное, биогенное, антропогенное.

Под живым веществом Вернадский понимал совокупность всех живых организмов, выраженную через массу, энергию или химический состав. Живое вещество составляет порядка 0.01 - 0.02 % от массы всей биосферы. Общий вес живого вещества порядка (2.4 -3.6)^.10¹² т (в сухом весе).

Вещества, образуемые без участия живых организмов и не вовлеченные в круговорот жизни, Вернадский назвал косными веществами, это, например, горные породы, продукты извержения вулканов и т.п. “Неживых” веществ в природе не бывает, практически любое вещество может быть вовлечено в круговорот жизни.

Вернадский выделял в особую группу биокосное вещество, которое в отличие от косного так или иначе обусловлено воздействием жизни и вовлечено в ее круговорот, это вода, почва и т.п.

Можно также выделить группу биогенных веществ, образующихся в результате жизнедеятельности живых организмов. Это многие полезные ископаемые: каменный уголь, нефть, торф, а также известняки, руды металлов и т.п.

В настоящее время данную классификацию дополняют еще одной группой веществ, образующихся в процессе деятельности человека. Это так называемые антропогенные вещества. Часть из них участвует в естественном круговороте вещества, но многие соединения практически не утилизируются живым веществом, а потому представляют опасность для биосферы. Это разного рода полимерные материалы, пластмассы и т.п.

Многие антропогенные вещества являются ядовитыми для большинства живых организмов. Особую опасность для жизни представляют радиоактивные вещества, прошедшие в производстве стадию обогащения, то есть повышения концентрации до таких значений, в которых в природе они не встречаются.

1.6.2. Основные свойства живых систем

Наибольшую роль на планете играет именно живое вещество. Рассмотрим его основные свойства.

1. Компактность.

В 5∙10^{-15 г ДНК, содержащейся в клетке зародыша кита, заключена информация для подавляющего большинства признаков животного, которое весит 5∙107} г (масса возрастает на 22 порядка).

2. Способность к самоорганизации, т.е. к созданию порядка из хаотического теплового движения молекул и тем самым противодействовать возрастанию энтропии (определение энтропии см. в п.1.7).

Живое потребляет отрицательную энтропию и работает против теплового равновесия, увеличивая, однако, энтропию окружающей среды. Чем более сложно устроено живое вещество, тем более в нем скрытой энергии и энтропии.

3. Обмен с окружающей средой веществом, энергией, информацией.

Живое способно перестраивать полученные извне вещества, уподобляя собственным материальным структурам и за счет этого многократно воспроизводить их.

4. В метаболических функциях (обмене веществ) большую роль играют контуры обратной связи, образующиеся при автокаталитических реакциях.

“В то время как в неорганическом мире обратная связь между следствиями (конечными продуктами) нелинейных реакций и породившими их причинами встречается сравнительно редко, в живых системах обратная связь, напротив, является, скорее, правилом, чем исключением” (И. Пригожин, И. Стенгерс).

Автокатализ, кросскатализ и автоингибиция (процесс, противоположный катализу, - если присутствует данное вещество, то оно не образуется в ходе реакции) присущи живым системам. Для создания новых структур нужна положительная обратная связь, для устойчивого существования – отрицательная обратная связь (см. п.1.3).

5. Жизнь качественно превосходит другие формы существования материи в плане многообразия и сложности химических компонентов и динамики протекающих в живом превращений.

Живые системы характеризуются более высоким уровнем упорядоченности и асимметрии в пространстве и во времени. Структурная компактность и энергетическая экономичность живого – результат высочайшей упорядоченности на молекулярном уровне. Скорость обновления живого вещества высокая. В среднем для биосферы она составляет 8 лет, для суши - 14 лет, а для океана - 33 дня (здесь преобладают организмы с коротким периодом жизни).

За всю историю существования жизни общая масса живого вещества, прошедшего через биосферу, примерно в 12 раз превышает массу Земли. Скорость протекания реакций благодаря биологическим катализаторам (ферментам) и химическая активность также высокие. В живых организмах при ничтожных температурах протекают реакции между веществами, которые в воздухе не соединяются, даже в лабораторных печах при 1000-градусной жаре. Живые организмы способны фиксировать в своем теле молекулярный азот атмосферы при нормальных атмосферных условиях, что в промышленных условиях требует температуры порядка 500 °С и давления 300-500 атмосфер.

Дождевые черви, совокупная масса которых в 10 раз больше биомассы всего человечества, за 150-200 лет пропускают через свои организмы весь однометровый слой почвы; весь углекислый газ проходит через живые организмы в процессе фотосинтеза за 6-7 лет, вся вода Земли - за 5-6 млн лет.

6. В самоорганизации неживых систем молекулы просты, а механизмы реакций сложны, у живых систем, напротив, схемы реакций просты, а молекулы сложны.

7. У живых систем есть прошлое. У неживых его нет.

Под прошлым понимается способность накапливать информацию, закреплять ее в наследственных структурах и передавать следующим поколениям.

“Целостные структуры атомной физики состоят из определенного числа элементов ячеек, атомного ядра и электронов и не обнаруживают никакого изменения во времени, разве что испытывают нарушение извне.[,…]по прекращению его они снова возвращаются в исходное положение. Но организмы – не статические образования. Древнее сравнение живого существа с пламенем говорит о том, что живые существа, подобно пламени, представляют собой такую форму, через которую материя в известном смысле проходит как поток” (В. Гейзенберг).

8. Жизнь организма зависит от двух факторов – наследственности, определяемой генетическим аппаратом, и изменчивости, зависящей от условий окружающей среды. Живые организмы обладают высокой приспособительной способностью (адаптацией).

Сейчас жизнь на Земле не могла бы возникнуть из-за кислородной атмосферы и противодействия других организмов. Раз зародившись, жизнь находится в процессе постоянной эволюции.

9. Способность к избыточному воспроизводству.

“Прогрессия размножения столь высокая, что она ведет к борьбе за жизнь и ее последствию – естественному отбору” (Ч. Дарвин). Вернадский назвал это свойство "всюдностью жизни".

1.6.3. Функции живого вещества в биосфере

1. Средообразующая - способность изменять и поддерживать определенный состав среды обитания и атмосферы в целом, преобразовывать физико-химические параметры окружающей среды. В частности, живые организмы создали особый тип биокосного вещества - почву.

2. Энергетическая - аккумулирование энергии и ее перераспределение по пищевым цепям.

3. Окислительно-восстановительная - окисление вещества в процессе жизнедеятельности и восстановление в процессе разложения при дефиците кислорода.

4. Деструктивная - разрушение мертвого органического вещества и косных веществ.

5. Рассеивающая и транспортная - рассеяние живого вещества на больших пространствах, перенос и перераспределение вещества и энергии.

6. Концентрационная - способность организмов концентрировать в своем теле рассеянные элементы окружающей среды. Данную способность еще называют свойством биоаккумуляции.

Любое животное или растение в процессе своей жизнедеятельности буквально по молекулам собирает из окружающей среды необходимые для него вещества и накапливает их в своем организме. Поэтому, например, концентрация марганца в теле некоторых организмов превышает его концентрацию в окружающей среде в миллионы раз. Результатом концентрационной деятельности живых организмов являются залежи руд, известняков, горючих ископаемых и т.п. В условиях загрязнения окружающей среды отрицательным следствием этого процесса может являться накопление растениями и животными, которых мы употребляем в пищу, веществ, которые являются токсичными (ядовитыми) для нашего организма.

ª Вопросы для самопроверки

1. Перечислите свойства живого вещества.

2. Дайте краткую характеристику каждой из групп веществ, содержащихся в биосфере.

3. Перечислите функции живого вещества.

4. Какие абиотические условия (т.е. факторы неживой природы) определяют поле существования жизни (живых организмов) в биосфере?

&? Вопросы для самостоятельного изучения

1. Чем отличается живое от неживого?

2. Сравните растения и животных по трем признакам: 1) структуре клеток и их способности к росту; 2) способу питания; 3) способности к движению. В чем отличия?

3. Зачем нужны в биосфере многоклеточные организмы? Почему их называют “транспортом” биосферы?

4. Масса всех живых существ на Земле в миллионы раз меньше, чем масса гидросферы, верхней литосферы и атмосферы. Что означает утверждение: “динамическая масса” биосферы сопоставима с массой других геосфер планеты?

5. Почему ДДТ (высокотоксичный и канцерогенный пестицид-ядохимикат) был обнаружен в печени пингвинов Антарктиды и о чем это свидетельствует?

1.6.4. Круговорот вещества

Процесс многократного использования вещества, необходимого для жизни, называется круговоротом веществ, или биогеохимическим циклом. Энергия практически для любого круговорота поставляется от Солнца. Механизмы, обеспечивающие возвращение веществ в круговорот, основаны, главным образом, на биологических процессах.

В каждом круговороте удобно различать два фонда: резервный фонд - большая масса медленно движущихся веществ, в основном в небиологической сфере, хранящаяся в относительно рассеянном и подвижном виде, доступном большинству живых организмов, находится в атмосфере и гидросфере и менее подвижной зоне - почве; обменный фонд - меньший, но более активный, сосредоточенный, главным образом, в живом веществе, для данного фонда характерен быстрый обмен веществом между организмами и их окружением.

Резервный фонд в большей степени требуется растительным организмам, которые не только получают все, что им нужно из атмосферы, почвы и воды (например, водные растения), но и сбрасывают туда же тепло, влагу, продукты дыхания, отмершие листья и сучья и т.п. В меньшей мере с резервным фондом связаны животные, которые в основной своей массе не способны синтезировать биоорганику из рассеянных компонентов резервного фонда и существуют за счет обменного фонда.

Вследствие сказанного все биогеохимические циклы принято делить на два основных типа: круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере или гидросфере (океане) и осадочный цикл с резервным фондом в земной коре.

Часть вещества уходит из круговорота в захоронения (прежде всего в бескислородной среде), т.е., по словам Вернадского, "уходят в геологию" в виде угля, торфа, нефти, осадочных пород и т.п.

Человек так ускоряет движение многих веществ, что круговороты становятся несовершенными или процесс теряет цикличность, в одних местах возникает недостаток, в других – избыток. Основной целью человеческого общества должно стать возвращение вещества в круговорот.

В живой природе практически бесконечное разнообразие возникает на основе сочетания немногих элементов, входящих в состав объектов неживой природы, но их количественное соотношение неодинаково. Только с двумя простыми окислами H₂O и СО₂ и молекулярным кислородом связано подавляющее большинство суммарных реакций обмена веществ между организмами и средой.

Только на 7 элементов – углерод, кислород, водород, азот, сера, фосфор и кальций приходится более 99 % состава всех живых существ – от вирусов до человека. Шесть первых из них, слагающие всю органику земной природы, называют биогенными элементами. Их соединения образуют несколько десятков низкомолекулярных природных биомономеров (аминокислот, нуклеотидов, жирных кислот, сахаров) и др. органических веществ, различные сочетания которых дают уже огромное количество высокомолекулярных биополимеров.

Рассмотрим основные особенности круговоротов наиболее важных для живых организмов веществ. Более подробно описание круговоротов веществ см. в [21].

1.6.5. Особенности круговоротов воды,

углерода, азота, фосфора, серы

Круговорот воды осуществляется в результате следующих процессов: транспирация растениями (испарение воды устьицами в процессе дыхания), перехват растениями, физическое испарение, инфильтрация в почве и формирование подземных вод, сток в водные объекты, влагоперенос, выпадение осадков (переход из пара в жидкое состояние). Около трети поступающей на Землю энергии Солнца затрачивается на приведение в движение круговорота воды.

Море теряет из-за испарения воды больше, чем получает с осадками. На суше ситуация противоположная. То есть значительная часть осадков, поддерживающих экосистемы суши, приходит к нам с моря.

В результате деятельности человека сток воды увеличивается, пополнение грунтовых вод сокращается из-за водонепроницаемых покрытий, уплотнения почв, создания водохранилищ на реках, строительства оросительных систем, сведения лесов).

Основные цепочки в круговороте углерода: углекислый газ в атмосфере и гидросфере ® фотосинтез, биоассимиляция ® синтез органических соединений (сахара, протеины, липиды) ® питание, потребление ® разложение, дыхание ® углекислый газ в атмосфере, гидросфере.

В круговороте участвует около 100 млрд т углерода, из которых 70 млрд т возвращается в виде углекислого газа в круговорот из потребленных живыми организмами органических соединений, а 30 млрд т - из полученных в процессе фотосинтеза непотребленных органических соединений.

В атмосферном воздухе содержится крайне малое количество углекислого газа (около 0,03 %) по сравнению с другими компонентами (кислорода около 22 %, азота около 78 %, инертные газы). За последние 100 лет содержание СО₂ постоянно растет из-за деятельности человека, сведения лесов. Полагают, что в доиндустриальный период в начале промышленной революции (1800 г.) концентрация углекислого газа CO₂ в атмосфере Земли составляла около 280 частей на миллион частей воздуха по объему (или 0,028 %). В 1958 г., когда были проведены первые точные измерения, - 315 частей на миллион, в 1980 г. – достигла 340 частей на миллион. Когда доиндустриальный уровень будет превышен вдвое (2050 г.), т.е. станет концентрация станет равной 560 частей на миллион, ожидается повышение температуры в среднем на 1,5-4,5 градуса. Это связано в первую очередь с парниковым эффектом, к которому приводит повышенное содержание углекислого газа в атмосфере. Если в XX веке уровень моря поднялся на 12 см, то в XXI веке нас может ожидать нарушение стабильности полярных ледников, что приведет к их таянию и катастрофическому подъему уровня мирового океана. По некоторым прогнозам в 2050 году под водой может оказаться Нью-Йорк и большая часть Западной Европы.

Рис. 1.17. Схема круговорота азота

Основные звенья круговорота азота: свободный азот, оксиды азота в воде, воздухе ® корни (в виде нитратов) ® питание ® разложение ® свободный азот (рис. 1.17).

Основные процессы в круговороте - азотфиксация, аммонификация, нитрито- и нитрато- образование, денитрификация.

Азот входит в состав аминокислот, являющихся основным строительным материалом для белков. Хотя азот требуется в меньших количествах, чем углерод, дефицит азота отрицательно сказывается на продуктивности живых организмов. Основным источником азота является атмосфера, откуда в почву, а затем в растения азот попадает только в форме нитритов и нитратов, которые являются результатом деятельности организмов-азотофиксаторов (отдельные виды бактерий, сине-зеленых водорослей и грибов), а также электрических разрядов (молний) и других физических процессов.

Остальные соединения азота не усваиваются растениями. Второй источник азота для растений - результат разложения органики, в частности, белков. При этом в начале образуется аммиак, который преобразуется бактериями-нитрификаторами в нитриты и нитраты. Возвращение азота в атмосферу происходит в результате деятельности бактерий-денитрификаторов, разлагающих нитраты до свободного азота и кислорода. В природных экосистемах порядка 20% азота - это новый азот, полученный из атмосферы путем азотофиксации. Остальные 80% возвращается в круговорот вследствие разложения органики.

Фосфор - достаточно редкий элемент. Относительное количество фосфора, требуемое живым организмам, гораздо выше, чем содержание его в тех источниках, откуда организмы черпают необходимые им элементы (рис. 1.18).

Рис. 1.18. Схема круговорота фосфора

То есть дефицит фосфора в большей степени ограничивает продуктивность в том или ином районе, чем дефицит любого другого вещества, за исключением воды. Фосфор встречается лишь в немногих химических соединениях. Он циркулирует, переходя из органики в фосфаты, которые могут затем использоваться растениями. Особенность круговорота фосфора в том, что в нем отсутствует газообразная фаза. Это грозит дефицитом фосфора.

Основным резервуаром фосфора является не атмосфера, а горные породы и другие отложения, образовавшиеся в прошлые эпохи. Породы эти подвергаются эрозии, высвобождая фосфаты в экосистемы. После неоднократного потребления его организмами суши и моря фосфор в конечном итоге выводится в донные осадки.

В прошлом морские птицы, по-видимому, возвращали фосфор в круговорот. Сейчас основной поставщик фосфора - человек, вылавливающий морскую рыбу и перерабатывающий донные отложения в фосфаты. Однако добыча и переработка фосфатов создает серьезные проблемы с загрязнением окружающей среды.

Основные участники круговорота серы: бактерии, грибы, растения, деятельность вулканов, сжигание угля, серосодержащих углеводородов.

Сера является элементом, необходимым для синтеза многих белков. Для биосистем требуется очень мало серы. Круговорот серы охватывает воздух, воду и почву.

Сульфат SO₄, так же как нитраты и фосфаты, - основная доступная форма серы, которая восстанавливается растениями и включается в белки в виде серосодержащих аминокислот. Затем она проходит по пищевым цепям экосистем и возвращается в круговорот с экскрементами животных. Основными источниками поступления соединений серы в биосферу являются производственная деятельность человека (сжигание угля и серосодержащих углеводородов), вулканы, разложение органики и распад серосодержащих руд и минералов. Благодаря процессам окисления (S «MeSO₄, SO₂ в атмосфере «сульфат MeSO₄, где Ме - металл) и восстановления (H₂S «S, H₂S «SО₄^-, H₂S «сульфид МеS, МеS «SО₄^-), осуществляемым аэробными и анаэробными бактериями, происходит обмен серы между фондом доступного сульфата и фондом сульфида железа, находящемся глубоко в почве и осадках.

1.6.6. Пути возврата элементов в круговорот

Можно выделить несколько путей возврата элементов в круговорот: 1) через микробное разложение; 2) через экскременты животных; 3) прямой передачей от растения к растению в симбиозе; 4) физическими процессами (молния, ионизация и т.п.); 5) за счет энергии топлива (например, при промышленной фиксации азота); 6) автолиз (саморастворение) - высвобождение питательных веществ из остатков растений и экскрементов без участия микроорганизмов.

Если не разрушать природные механизмы рециркуляции и не отравлять их, то они в основном самопроизвольно реализуют возврат веществ в круговорот. Человек так ускоряет движение многих веществ, что круговороты становятся несовершенными или процесс теряет цикличность: в одних местах возникает недостаток, а в других - избыток каких-то веществ. Кроме того, человек изымает из круговорота многие элементы, связывая их в таких веществах, для которых в природе отсутствуют деструкторы (разрушители структуры), поэтому он вынужден сам быть деструктором этих веществ.

ª Вопросы для самопроверки

1. Какие фонды веществ можно выделить в круговороте?

2. Какая часть энергии Солнца затрачивается на круговорот воды?

3. Какие антропогенные факторы, влияющие на круговорот воды, вы можете назвать?

4. Какие соединения серы способны усваивать живые организмы? Назовите источники получения этих соединений.

5. Какие бактерии возвращают в атмосферу свободный азот и из каких источников?

6. Какие соединения азота могут усваиваться растениями и животными? Назовите источники получения этих соединений.

7. В чем отличие круговорота элементов в тропиках от холодных районов?

8. Какие источники поступления углекислого газа в атмосферу вы можете назвать?

9. Перечислите пути возврата элементов в круговорот.

10. В чем особенность и основное отличие круговорота фосфора от круговоротов других веществ?

11. Какие бактерии преобразуют азотные соединения в нитраты и нитриты? Какие соединения азота они перерабатывают?

12. Какая особенность круговорота фосфора грозит его дефицитом для живых организмов?