Биохимические циклы в биосфере (круговороты биогенных элементов)

2. Биохимические циклы в биосфере (круговороты биогенных элементов)

Земля - конечное физическое тело, и количество любых химических элементов на Земле конечно. Но уже миллионы лет, с тех пор, как появилась жизнь на планете, идет процесс фотосинтеза органического вещества из неорганических компонентов - и этот процесс бесконечен.

Академик В.Р.Вильямс писал: "Чтобы придать чему-то конечному свойства бесконечного, надо заставить это конечное совершать движение по замкнутой кривой, т. е. вовлечь его в круговорот".

Действительно, все вещества на Земле совершают такие круговороты, называемые биохимическими циклами. Выделяют два основных цикла:

большой - геологический и малый - биотический. Большой круговорот длится долго, сотни тысяч или миллионы лет: горные породы разрушаются, выветриваются и водные потоки сносят их в Мировой океан, где они оседают на дно, лишь часть их возвращается на сушу с осадками, с организмами, которые человек извлекает из моря. Крупные геотектонические изменения (поднятие дна морей, опускание материков) вновь возвращают вещества на сушу - и все повторяется.

Малый круговорот (биотический) является частью большого. Он идет на уровне живой природы. Питательные вещества почвы, вода, углерод идут напостроение органического вещества растений и животных и участвуют в жизненных процессах. После гибели организмов отходы их жизнедеятельности вновь разлагаются на неорганические компоненты (косное вещество) организмами - редуцентами (деструкторами). И все опять повторяется: минеральные вещества идут в пищу растениям и т. д. Малые круговороты с участием живых организмов получили название биохимических циклов.

Если взвесить все живое вещество на планете, оно составит около 2 триллионов тонн. Это огромная величина, но она ничтожно мала в сравнении с массой земной коры – всего одна стотысячная доля и даже меньше. Однако если масса земной коры остается в общем постоянной, то живое вещество обладает уникальным, только ему присущим свойством – самовоспроизводиться. Живые клетки размножаются, воспроизводят сами себя. У некоторых организмов способность размножаться исключительно велика. Если бы не было никаких препятствий, крохотная водоросль диатолия за 8 дней образовала бы биомассу, равную массе Земли. Всего за 8 дней! Так велика сила жизни в ее стремлении захватить максимальное пространство. Каждый год живое вещество биосферы воспроизводит около 250 млрд. тонн биологической продукции. За 3 млрд. лет своего существования общая биомасса живого вещества должна была бы в сотни раз превысить массу земной коры. Однако сила биосферы не в ее массе, а в огромном разнообразии.

В составные компоненты биосферы входят живое вещество и населенные жизнью части гидросферы, атмосферы и литосферы, они тесно связаны друг с другом все вместе составляют единую живую систему – биосистему.

Все живое и каждый живой организм связаны с окружающей средой биологическим круговоротом веществ и потоком энергии. Потребляя и выделяя вещества и энергию, организмы оказывают влияние на среду обитания уже тем, что они живут. Воздействие на окружающую среду, отдельной особи обычно невелико и малозаметно, но все вместе организмы (т.е. все живое вещество) оказываются мощной силой, преобразующей земную поверхность.

Например, только новой растительной массы ежегодно около 170 млрд. (по сухому весу). Из них 115 млрд.дает суша и 55 млрд. – Мировой океан. Так, примерно за миллиард лет фотосинтезирующие водоросли и наземные растения, преобразуя солнечную энергию, создали столько органического вещества, что оно могло бы покрыть всю Землю слоем 2000 км.

Все организмы по их роли, выполняемой в биосфере, разделяют на три группы.

Продуценты - (от лат. «создающий») – автотрофы, обладающие уникальной способностью из неорганических соединений с потреблением солнечной энергии образовывать сложные органические соединения.

Консументы - (от лат. «потребляю или потребители») – гетеротрофы, питающиеся органическими веществами, созданными автотрофами и образующие из них новые органические вещества которых нет в телах автотрофов.

Редуценты - (от лат. «возвращение или разлагатели») – гетеротрофы, способные перерабатывать органические вещества мертвых тел и различные отходы живых организмов, разрушая их до простых неорганических соединений.

Каждая из этих трех групп выполняет свою особую функцию в биосфере. При этом взаимодействуя между собой и с окружающей средой, живые организмы этих 3 групп в глобальной биосистеме создают круговорот веществ и поток энергии от одних компонентов системы к другим, обеспечивая целостность и устойчивое поддержание жизни биосферы.

Однако если бы на Земле существовали только зеленые растения, то спустя некоторое время все минеральные вещества планеты оказались бы связанными в самих растениях (притом в основном в мертвых телах), и в результате рост растений, а затем и их жизнь прекратились вовсе. Но этого не происходит, потому что другие организмы – редуценты, питаясь веществами, заключенными в мертвых телах растений, подвергают их минерализации (деструкции) до простых неорганических соединений, которые затем снова используются автотрофами – продуцентами.

Кроме того, огромные запасы веществ и энергии, заключенные в телах продуцентов, потребляются не только редуцентами, но и консументами, к которым относятся в основном животные: растительноядные, плотоядные, всеядные и паразиты. Продуценты, консументы и редуценты связаны друг с другом и с окружающей абиотической средой сложными пищевыми сетями. Между этими четырьмя компонентами биосферы происходит обмен веществами и энергией. В конечном счете химические элементы оболочек планеты и энергия, поступившая от солнца, через тела растений доходят по пищевым цепям до каждого гетеротрофного живого организма. Таким путём из многочисленных веществ, поддерживающих жизнь организмов разных видов, в биосфере создаётся круговорот веществ и поток энергии. Ввиду огромной роли живого вещества круговорот веществ в биосфере называют биологическим или биотическим.

Могучей движущей силой круговорота веществ и потока энергии на нашей планете является живое вещество.

Итак, биологический круговорот характеризуется наличием четырех обязательных взаимосвязанных компонентов:

1) запаса химических веществ и энергии;

2) продуцентов;

3) консументов;

4) редуцентов.

В итоге все живое биосферы и окружающая среда, откуда организмы черпают средства жизни и куда выделяют все свои продукты жизнедеятельности, создают целостное, тесно связанное, взаимодействующее единство – живую систему (биосистему), которую из-за этой непрерывной взаимосвязи живого вещества с неживой природой называют также экологической системой (экосистемой). Организованная в глобальную биосистему (экосистему), жизнь на планете Земля продолжается непрерывно уже миллионы лет.

Любая биосистема устойчива лишь в том случае, если входящие в ее состав взаимодействующие комплексы живых организмов достаточно полно поддерживают круговорот веществ. Изменения массы живого вещества его структуры, химизма влияют на характер биологического круговорота. Знание качественных и количественных характеристик биологического круговорота, его ритма, интенсивности и скорости движения веществ и энергии возможность прогнозировать степень устойчивости экосистемы.

Биологический круговорот вещества и поток энергии являются главным условием возникновения и существования глобальной экосистемы.

Круговорот веществ в природе - это относительно повторяющиеся (циклические) взаимосвязанные химические, физические и биологические процессы превращения и перемещения веществ в природе.

Движущими силами круговорота служат потоки энергии Солнца (и Космоса в целом) и деятельность живого вещества. Благодаря этим силам идёт перемещение, концентрация и перераспределение огромных масс химических элементов, вовлеченных зелёными растениями с помощью фотосинтеза в органические вещества живых существ.

Круговорот веществ поддерживается в экосистеме планеты постоянным притоком все новых порции энергии. Однако круговорота энергии не бывает. Энергия – согласно закону сохранения, не исчезает бесследно, а преобразуется в процессе жизнедеятельности организмов и, переходя в тепловую форму, рассеивается в окружающем пространстве. В то же время химические элементы, мигрируя с пищей от одного организма к другому, могут выходить в абиотическую среду и вновь вовлекаться автотрофами в круговорот жизни, т.е. многократно двигаются в круговороте.

Биологический круговорот веществ и поток энергии в биосфере напоминают вращение мельничного колеса в струе быстротекущей воды.

В биологическом круговороте веществ биосферы выделяют несколько циклов обращения химических элементов, т.е. путей циркуляции веществ из внешней среды в организмы и опять во внешнюю среду. В циклах прослеживают движение жизненно важных – биогенных – элементов например: С, О, Н, N, P. Биогенные элементы разными путями попеременно переходят из живого вещества в неорганическую материю, а из нее вновь поступают в живое вещество и таким образом постоянно входят в состав организмов, участвуя в их жизнедеятельности.

Все биохимические циклы биосферы не замкнуты. При этом каждый новый цикл не является точным повторением предыдущего, так как природа не остается неизменной. Вещества и солнечная энергия вовлекаются в круговорот, но вместе с тем энергия в виде тепла уходит, рассеиваясь в пространстве, нередко и органические вещества выходят из круговорота в окружающую среду, накапливаясь в виде залежей. Поэтому и в отдельных биогеоценозах и во всей биосфере круговороты не замкнуты, а сама биосфера является открытой биосистемой

Круговорот углерода в биосфере.

Углерод – один из распространенных элементов на Земле (11-е место); определяющий все многообразие органических соединений. Источником углерода служит углекислый газ, находящийся в атмосфере и растворенный в воде. Захваченный фотосинтезом углерод превращается в сахара, а другими процессами биосинтеза преобразуется в белки и липиды. Но в процессе дыхания и при разложении мертвых тел с помощью редуцентов углерод вновь вступает в круговорот в форме углекислоты. Углерод входит в состав атмосферы в виде CO2, мела, известняков, мрамора CaCO3, магнезита MgCO3, доломита, малахита, ископаемых углей, нефти, природного газа и других полезных ископаемых надолго оставаясь вне круговорота. Но под воздействием корней растений, животных и деятельности человека (отопление, промышленность) углерод может быть освобожден и тогда вновь окажется в круговороте. Простое вещество углерода может существовать в форме алмаза, графита, карбина, аморфного углерода («древесный уголь», «активированный уголь») и фуллерена.

Парниковый эффект

Круговорот углерода совершается по двум циклам: по большому (геологическому) круговороту, происходящему в течение миллионов лет, и по малому, биологическому круговороту, связанному с жизнедеятельностью организмов. Углерод содержится в атмосфере около 23,5 . 1011 т и служит питанием для растений в процессе фотосинтеза; затем в составе органического вещества (биомассы) проходит по пищевым цепям. При дыхании растений, животных и других живых организмов выделяется CO2; таким образом углерод возвращается в атмосферу.

Часть углерода в мертвой органике переходит в ископаемое топливо (каменный уголь, торф); в процессе горения углерод в виде CO2 возвращается в атмосферу.

Проблема "парникового эффекта" CO2 улавливает тепло от нагретой поверхности Земли, препятствуя стоку тепла от Земли в Космос. Это явление получило название "парниковый эффект". Кроме CO2 существует множество других "парниковых газов, которые в зависимости от их вклада" можно расположить в следующий ряд: водяной пар, CO2, метан, фреоны, закись азота (гемиоксид) N2O. Это наиболее значимые.

Заметный рост концентрации CO2 в атмосфере начался в конце 18 века. Это было связано с вырубкой лесов и сжиганием ископаемого топлива. В настоящее время от сжигания различного топлива в атмосферу ежегодно поступает 0,7% общего количества атмосферного CO2. Среднегодовая температура за последние 100 лет возросла ~ на 0,5°С. Соответственно уровень Мирового океана за этот период поднялся на 10-15 см за счет теплового расширения вод Мирового океана и частично - таянием ледников. Все это свидетельствует о том, что человеческая деятельность (антропогенный фактор) оказывает все большее влияние на глобальные процессы, связанные с тепловым режимом нашей планеты.

Круговорот фосфора в биосфере.

Фосфор – «элемент – одиночка». Простое вещество при обычных условиях существует в виде целого ряда аллотропных модификаций, главные из них – белый, красный и черный фосфор. Фосфор в свободном состоянии в природе не встречается, а входит в состав минералов типа апатитов 3Ca3(PO4)2 CaF2 и фосфатов Ca3(PO4)2 . Фосфор – важная составная часть цитоплазмы и нуклеиновых кислот. Редуценты, минерализуют органические соединения фосфора в фосфаты, которые вновь потребляются корнями растений. Много фосфора накапливается в горных породах, в глубинных отложениях, откуда с помощью животных снова возвращается в круговорот.

Круговорот воды на поверхности земного шара известен: действием солнечной энергии в результате испарения создается атмосферная влага, она конденсируется в форме облаков, с их охлаждением вода выпадает виде осадков (дождь, снег, град), которые поглощаются почвой или стекают в реки, озера, моря и океаны. Количество воды, испаряемой растениями с помощью транспирации, всегда больше, чем испаряемой с поверхности водоемов. Круговорот воды в бассейне реки Конго – пример регионального круговорота воды. Вода, теряемая в процессе испарения тропическим лесом и саванной, впоследствии возвращается с осадками в почву. Притом осадки более обильны, чем сток воды в море.

Круговороты, происходящие в биосфере, очень сложны и тесно связаны между собой. Вливаясь в общий биологический круговорот, они составляют основу существования и развития глобальной экосистемы, обеспечивая ее динамическую устойчивость и поступательное развитие. Движущей силой биологического круговорота веществ на нашей планете является жизнедеятельность организмов.

Круговорот азота

Атмосфера на ~ 79% состоит из азота. Азот - биогенный элемент, входит в состав аминокислот и белков в живых организмах. Биохимический цикл азота приведен на рис. 1.8 . Азот может стать доступным для живых организмов только в связанной форме, т. е. в результате азотфиксации. Фиксация азота (в порядке значимости)

1. Промышленная фиксация (см.рис 1.8 в Приложении5).

2. Сине-зеленые водоросли и бактерии.

3. Действие физических сил природы: молний, космического излучения

(N2 + 02 → NО → нитраты) .

Промышленная фиксация - это производство удобрений (КNO3, NаNО3, NН4NO3 и т.п.).

Самый богатый природный источник связанного азота - это бобовые: горох, клевер, соя, люцерна и т. д. На их корнях имеются клубеньки, в которых находятся колонии азотфиксирующих бактерий. Это симбиоз растений и бактерий: растения получают азот, бактерии -углеводы и другое питание. Распад органического вещества и нитрификация происходит с участием сапрофитов - бактерий. Они возвращают азот белков, содержащихся в мертвых растениях и животных, в общий круговорот в форме нитратов. Денитрификация производится особыми бактериями денитрификаторами, которые расщепляют нитраты и возвращают азот. Такие бактерии живут в почвах и водах с малым содержанием 02. Естественный круговорот азота происходит с очень малой скоростью, поэтому он сильно подвержен антропогенным воздействиям. В настоящее время равновесие по азоту в природе нарушено в результате человеческой деятельности: происходит накопление нитратов и других промежуточных продуктов нитрификации в окружающей среде.

Проблемы, связанные с нарушениями в круговороте азота.

Первая проблема связана с накоплением нитратов. Это соединения азота, соли азотной кислоты с радикалом NO3-, входят в состав удобрений, применяются как пищевые добавки. Сами по себе нитраты относительно не токсичны. Но бактерии, обитающие в организме человека, могут превращать их в токсичные нитриты. Нитриты реагируют в желудке с аминами, образуя весьма канцерогенные нитрозамины. (Нитрозамины - самые сильные канцерогены из известных). Нитрит натрия (NaNO2) в смеси с поваренной солью используется для посола мяса и рыбы. В ФРГ 95% мясных изделий подсаливается этой смесью.

Нитриты опасны:

1). Образуются нитрозамины - канцерогены.

2). У грудных и маленьких детей развивается цианоз или синюшность.

Источниками нитрозаминов (Н) являются: машинные масла (было обнаруженодо 3% Н), табачный дым ~ 1 мкг и некоторые косметические средства.

Второй проблемой является проблема оксидов азота. Оксиды азота образуются при всех процессах горения в результате соединения N и О. При горении образуется сначала NO, который затем окисляется до N02, который более токсичен и вреден для живой природы. Из N02 , образуются кислотные осадки в условиях влажного воздуха (кислотные туманы, кислотная роса, кислотные дожди)

N02 + Н20 → HNO3

ПДК по N02 равен 0,08 мг/м3 при длительном воздействии. Признаки хронического отравления N02: головные боли, бессоница, изъязвление слизистых оболочек.

Фотохимический смог образуется в условиях большого количествах выхлопных газов ( около 500 различных углеводородов ), оксидов азота, интенсивного солнечного излучения. Продуктами происходящих химических реакций являются множество опасных веществ – фотооксиданты, озон, ПАН (пироксиацетилнитрат, являющийся смертельно опасным веществом).

Круговорот серы. Проблема кислотных осадков

Круговорот серы в природе сложен и до конца не ясен. Сера распространена в природе в виде множества неорганических соединений. (Известно более 200 серосодержащих минералов). Сера участвует также и в биотическом круговороте: она входит в состав некоторых аминокислот, а также участвует в биохимических процессах образования белков.

В атмосферном воздухе сера присутствуете основном, в виде трех соединений - газообразных оксида серы (1У), сероводорода и аэрозолей сульфатов. Природным источником серы в атмосферном воздухе является сероводород. Среднее время жизни Н2S в атмосфере ~ 2 суток. Он быстро окисляется до SO2. Антропогенный источник SO2 - сжигание топлива, т. к. ископаемое топливо содержит значительное количество серы почти до 4%. В атмосферном воздухе SO2 приводит к образованию аэрозолей и "кислых" дождей. Время жизни SO2 в атмосфере ~ 4 сут.

Существует и природный загрязнитель атмосферного воздуха соединениями серы (SO2, Н2S, сульфаты) - это вулканическая деятельность. При извержениях вулканов эти соединения попадают в нижние слои атмосферы - тропосферу.

Диоксид серы - газ, вредный для здоровья людей, страдающих заболеваниями дыхательных путей. Доказана прямая зависимость частоты заболеваний бронхитом от концентрации SO2 в воздухе:

у = 14,5х - 1,3

где у - процент заболевших бронхитом;

х - концентрация SO2 в воздухе, мг/м3. Примеры: При х = 1,0 мг/м3 число заболевших бронхитом составит 13,2%, при х=5 мг/м3 - у = 71,2%, при х=6,8 мг/м3 - все население заболеет бронхитом. Эти прогнозыподтверждаются исследованиями, проведенными в Европе. В атмосферном воздухе SO2 окисляется до SO3. Газообразный SO3 растворяется в каплях влаги с образованием серной кислоты

SO3(г)+ Н2O(ж) —> H2SO4(ж)

Это приводит к выпадению кислотных осадков, что губительно влияет на живые организмы в природе: в водоемах гибнут рыбы и другие организмы. Кислотные осадки изменяют структуру и состав почв, приводят к гибели растений. Особенно страдают хвойные деревья. И, наконец, кислотные осадки приводят к разрушению и творения человеческих рук. Под влиянием кислоты разрушаются здания, архитектурные и другие памятники, под действием кислотных дождей ускоряется коррозия металлических конструкций.

Таким образом, можно сделать вывод, что биохимическими циклами и круговоротом в целом обеспечиваются важнейшие функции живого вещества в биосфере.

Если же рассматривать биосферу в целом, то в ней можно выделить: 1) круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере и гидросфере (океан) и 2) осадочный цикл с резервным фондом в земной коре (в геологическом круговороте).

Процесс круговорота кислорода в биосфере весьма сложен, так как он содержится в очень многих химических соединениях.

Биогеохимический круговорот в биосфере, помимо кислорода, углерода и азота, совершают и многие другие элементы, входящие в состав органических веществ, — сера, фосфор, железо и др.