6.1.4Обмен веществ в биосфере

Все три оболочки (атмосфера, гидросфера и литосфера) тесно связанны друг с другом, образую единую функциональную систему, обеспечивающую глобальный круговорот веществ, и за счет этого саморегулирующуюся [24]. Особая роль в этом процессе саморегуляции играет живое вещество планеты (примерная масса 2400 млрд. т). Биохимические реакции в живых организмах протекают в 1000 раз быстрее реакций в неорганическом мире за счет биологических катализаторов – ферментов, что делает живое вещество чрезвычайно химически активным. Эта активность обеспечивает вовлечение в глобальный круговорот биологически значимых химических элементов. Так, весь кислород планеты обновляется с помощью живых организмов за 2000 лет.

Высокая способность биосферы к саморегуляции лежит в основе гипотезы «Геи», согласно которой живой мир рассматривают как единый живой сверхорганизм (Дж. Ловелок, 1986 г.). Другими важнейшими свойствами живого вещества являются:

• устойчивость к жизни и быстрое разложение после смерти;

• способность быстро осваивать все свободное пространство;

• высокая приспособительная способность к различным условиям среды;

• высокая скорость обновления живого вещества.

Именно эти свойства живого вещества определяют способность биосферы к гомеостазу.

Геохимические функции живого вещества разнообразны:

1. энергетическая – связывание и запасание солнечной энергии в органическом веществе, и последующее рассеивание энергии при минерализации органики;

2. газовая – способность изменять и поддерживать определенный газовый состав среды и атмосферы в целом;

3. концентрационная – захват из окружающей среды живыми организмами и накопление в них атомов биогенных химических элементов (многие моллюски накапливают Са, губки – J, хвощи – Si и т.п.) результат этой функции – образование залежей полезных ископаемых: нефти, сланцев, известняков, железа и т.д.;

4. окислительно-восстановительная – окисление и восстановление различных веществ при миграции химических элементов через цепь живых организмов.

5. деструктивная – разрушение органического и минерального вещества живыми организмами и продуктами их жизнедеятельности;

6. средообразующая –синтез всех функций. В результате были сформированы в современном варианте атмосфера, почва, гидросфера;

7. транспортная – перенасыщенность вещества и энергии в результате активной формы движения организмов;

8. рассеивающая – противоположна концентрационной;

9. информационная – накопление живыми организмами информации, закрепление ее в наследственных структурах и передача последующим поколениям.

6.2 Круговорот биогенных элементов в биосфере

Живые организмы построены из большого количества химических элементов (рис. 11). Круговорот веществ – многократное участие веществ в процессах, протекающих в атмосфере, гидро- и литосфере. В зависимости от движущей силы условно выделяют круговороты: геологический (большой) круговорот веществ, биологический (геохимический или малый) круговорот веществ и антропогенный круговорот (обмен) веществ [19,28,30].

Геологический (большой) круговорот веществ – процессы образования и разрушения различных форм рельефа в результате геологических процессов при участии энергии Солнца (горообразование, выветривание горных пород, подъем новых материков). Геологический круговорот протекает без участия живых организмов и охватывает обширные области за пределами биосферы.

Биологический (геохимический или малый) круговорот веществ совершается в пределах биосферы. Его движущей силой является деятельность живых организмов, а главным источником энергии круговорота является солнечная радиация. Интенсивность биологического круговорота, в первую очередь, определяется температурой окружающей среды и количеством воды (в тропиках скорость круговорота выше, чем в тундре).

Движущей силой антропогенного круговорота (обмена) веществ является человеческая деятельность. Хозяйственная деятельность человека приводит к истощению природных ресурсов и загрязнению природной среды, что обусловливает незамкнутость антропогенного круговорота (обмена) веществ.

Живое вещество стремится так преобразовать среду обитания, чтобы необходимые жизни элементы (биогенные = жизнеродные) всегда были в доступной (растворимой) форме в нужном месте и нужном количестве. Эти элементы должны как можно дольше циркулировать в экосистемных циклах, не возвращаясь в исходное геохимическое состояние. При этом живое вещество постоянно накапливает, перемещает и видоизменяет различные химические вещества в огромных масштабах. Из всех химических элементов наиболее важными для организмов являются (табл. 4): C, O, H, N, S, P.

Рис. 11. Средний состав живого вещества, % от сырой массы [12]

Таблица 4. Биогенные элементы и их роль для живых организмов [12]

Элемент	Символ	Роль в клетке
Углерод	С	Входит в состав органических веществ
Водород	Н	Входят в состав воды и органических веществ
Кислород	О	Входят в состав воды и органических веществ
Азот	N	Входят в состав белков и нуклеиновых кислот
Фтор	F	Входит в состав эмали зубов
Фосфор	Р	Входит в состав липидов, АТФ, нуклеиновых кислот
Сера	S	Входит в состав белков и многих других биологически активных веществ
Натрий	Na	Главный внеклеточный положительный ион
Магний	Mg	Активизирует работу многих ферментов; входит в состав хлорофилла
Хлор	Cl	Cl- – преобладающий отрицательный ион в организме
Бор	В	Необходим некоторым растениям
Калий	К	Преобладающий внутриклеточный положительный ион
Кальций	Са	Основной компонент костей; активизирует сокращение мышечных волокон, проведение импульса и т.д.
Йод	I	Входит в состав гормонов щитовидной железы
Железо	Fe	Входит в состав многих органических веществ (гемоглобин, цитохромы)
Кобальт	Со	Входит в состав витамина B-I2
Медь	Сu	Входит в состав некоторых ферментов
Цинк	Zn	Входит в состав некоторых ферментов
Марганец	Мn	Входит в состав некоторых ферментов