2.2 Живое вещество биосферы, его функции

Высокая химическая активность, подвижность, способность к самовоспроизведению и эволюции обеспечивают важнейшие функции живого вещества в биосфере.

1. Энергетическая функция. Она определяется свойствами светочувствительного вещества хлорофилла зеленых растений, с помощью которого растения улавливают, аккумулируют солнечную энергию, преобразуют ее в энергию химических связей молекул органического вещества. Органические вещества, созданные зелеными растениями, служат источником энергии для представителей иных царств живых существ.

2. Транспортная функция Пищевые взаимодействия живого вещества приводят к перемещению огромных масс химических элементов и веществ против сил тяжести и в горизонтальном направлении.

3. Деструктивная функция. Минерализация органических веществ, разложение отмершей органики до простых неорганических соединений определяет деструктивную функцию живого вещества. Данную функцию выполняют в основном грибы, бактерии.

4. Концентрационная функция – это накопление определенных веществ в живых существах. Раковины моллюсков, панцири диатомитовых водорослей, скелеты животных- все это примеры проявления концентрационной функции живого вещества.

5. Живое вещество преобразует физико-химические параметры среды. В этом проявляется еще одна главная функция живого вещества - средообразующая. Например, леса регулируют поверхностный сток, увеличивая влажность воздуха, обогащают атмосферу кислородом.

2.3 Круговороты веществ в биосфере.

Интенсивность обмена через границы биосферы по сравнению с потоками вещества внутри системы ничтожно малы (реки вносят в океаны 200 млрд. т наносов, что в 2 тыс. раз больше, чем привносится метеоритами), поэтому можно считать, что биосфера - закрытая система. А в закрытой системе неизбежно возникают циркуляционные движения вещества, что и происходит на Земле. Это круговорот, объединяющий разрушение и снос горных пород с аккумуляцией и трансформацией продуктов разрушения, круговорот воды, общая циркуляция воздуха атмосферы и вод океана, биогеохимические циклы химических элементов.

Движущими силами круговорота веществ служат потоки энергии Солнца и деятельность живых организмов.

Совместная деятельность различных живых организмов определяет закономерный круговорот отдельных элементов и химических соединений, включающий введение их в состав живых клеток, преобразование химических веществ в процессах метаболизма, выведение в окружающую среду и деструкцию органических веществ, в результате которой высвобождаются минеральные вещества, вновь включающиеся в биологические циклы Процессы круговорота проходят в конкретных экосистемах, но в полном виде биогеохимические циклы реализуются лишь на уровне биосферы в целом.

Биогеохимический круговорот в биосфере не является полностью замкнутым, незначительная часть веществ «захороняется». Это привело к тому, что в атмосфере накопился биогенный кислород, а в земной коре- различные химические элементы и соединения.

Любой глобальный круговорот вещества состоит из запасов (резервуаров) и потоков. Как правило, суммарная величина запасов значительно больше потоков, что обеспечивает устойчивость круговорота.

Ниже рассматриваются наиболее значимые элементы круговорота веществ.

Из всех существующих в природе элементов (более 100) в организмах обнаружено около 20, наиболее важные из них - С, Н, О, Р, азот, сера, которые называют биогенными.

Цикл кислорода и углерода

Кислород - самый распространенный элемент в природе, его кларк 49,5 % (кларк - относительная распространенность в биосфере). Кислород входит в состав неорганических и органических соединений (белки, жиры и углеводы). Массовая доля кислорода: в воде - 85,8 %, в воздухе - 23,1 % , в минералах земной коры - 23,1 %.

Почти все формы жизни состоят из соединений углерода, кларк углерода составляет 0,14 %. Основные неорганические соединения углерода: в воздухе - СО₂, в гидросфере – гидрокарбонат - ионы, в земной коре – карбонаты. Все современные источники энергии - это углеродсодержащие соединения: уголь, нефть, природный газ. Включение углерода в состав органических веществ происходит в процессе фотосинтеза. В процессе дыхания все организмы окисляют сложные органические вещества; конечный продукт этого процесса - углекислый газ, выводится во внешнюю среду, где вновь может вовлекаться в процесс фотосинтеза. При определенных условиях в почве происходит неполное разложение мертвых остатков редуцентами до углекислого газа, и органические вещества накапливаются в виде торфа; углерод не высвобождается и его круговорот приостанавливается. Аналогичные ситуации возникали и в прошлые геологические эпохи, о чем свидетельствуют отложения каменного угля и нефти. При сжигании углеродсодержащих топлив углерод вновь возвращается в атмосферу. Однако интенсивное сжигание топлив нарушает процессы равновесия в биосфере, и повышение содержания углекислого газа в атмосфере связывают с изменением климата на планете.

Цикл азота

Кларк азота 0,03 %. Атмосфера - основной резервуар азота, В гидросфере неорганические соединения азота - нитраты, катионы аммония их концентрация составляет около 5· 10^-5 моль/л, в литосфере находятся исчезающие малые количества - селитры.

Белки животных содержат до 17 % азота. Главный источник азота органических соединений – молекулярный азот в составе атмосферы. Переход его в доступные живым организмам соединения может осуществляться разными путями. Так, электрические разряды при грозах синтезируют из азота и кислорода воздуха оксиды азота, которые с дождевыми водами поступают в почву в виде нитратов.

N₂+О₂ =2NO;

2NO + O₂ = 2NO₂ ;

4 NO₂ +2H₂O + O₂ =4 HNO₃

NH₃+HNO₃ = NH₄NO₃.

Таким путем в почву ежегодно вносится около 15 кг/га азота.

Более важной формой усвоения азота является деятельность азотфиксирующих микроорганизмов, синтезирующих сложные протеиды. Отмирая, они обогащают почву органическим азотом, который быстро минерализуется. Таким путем в почву ежегодно вносится около 15 кг/га азота (при фиксации азота разрядами молний - 4-10 кг/га). Эффективная фиксация азота осуществляется бактериями, формирующими связи с бобовыми растениями.

Накопленные в почве запасы связанного азота служат источником питания высших растений, с которыми азот поступает в организмы животных. Растения и животные, отмирая, дают начало органическим соединениям азота, в основном аминокислотам, которые превращаются в соли аммония, нитрит, нитраты и снова усваиваются растениями. Так цикл движения азота в биосфере замыкается.

Биосфера - накопитель связанного азота. Среднее соотношение азота в наземной биомассе - почва: 160 : 15.

Часть азота в почвах может восстанавливаться до молекулярного азота, который возвращается в атмосферу. Часть растворимых соединений азота вымывается из почв дождями и грунтовыми водами и попадает в водоемы, ускоряя рост растений и цветение воды, приводит в эвтрофикации водоема. 50 % азота, вносимого в агросистемы, попадает в состав сельскохозяйственных растений. Из этого количества половина убирается с урожаем, а другая остается в органическом веществе почвы.

Современное земледелие изменило общее направление потока азота, не от почвы в атмосферу, а наоборот. Рост численности населения и опережающие его потребности в белковом питании заставил человека интенсифицировать азотный цикл, чтобы производить больше белков.

Деятельность человека нарушила установившееся равновесие в распределении азота на Земле. В балансе фиксируемого азота все большее значение приобретает искусственно синтезируемый аммиак, количество которого удваивается каждые 5-6 лет. В атмосфере аммиак окисляется, превращаясь в оксиды азота. Оксиды азота образуются и при работе двигателей самолетов, автомобилей, при сжигании топлива.

Цикл фосфора

Кларк фосфора 0,09 %. Неорганические соединения фосфора в гидросфере - гидрофосфаты, дигидрофосфаты, фосфаты, в литосфере - фосфаты кальция (апатиты, фосфориты). Первоначально почти весь фосфор на суше образовался вследствие выветривания апатитов.

Фосфор - необходимый компонент нуклеиновых кислот (ДНК и РНК) и фосфолипидных молекул клеточных мембран, а также систем переноса энергии - АДФ, АТФ (аденозиндифосфорная, аденозинтрифосфорная кислоты). Главная роль ДНК и РНК в хранении и передаче наследственной информации - синтез белков в клетке. Наряду с азотом фосфор контролирует биологическую продуктивность наземный и морских систем вследствие невысокого содержания этих элементов в экосистемах.

Цикл фосфора проще, чем у кислорода, углерода, азота, так как ограничен гидросферой и литосферой. Циркуляция фосфора зависит от его запасов в горных породах и донных отложениях океанов. Гидросфера - конечный пункт одностороннего движения фосфора.

Фосфор лучше усваивается растениями в виде гидрофосфата. Усвоение фосфора растениями в значительной степени зависит от рН почвенного раствора. По мере уменьшения рН растворимость фосфатов увеличивается.

В живых организмах растворимые фосфаты превращаются в АТФ, АДФ, НК. После отмирания живых организмов органические соединения попадают в почву и распадаются с образованием в конечном счете фосфатов.

В гидросфере часть фосфатов с отмершими органическими остатками попадает в глубинные осадки и накапливается там, выключаясь из круговорота.

Процесс естественного круговорота фосфора в современных условиях интенсифицируется применением в сельском хозяйстве фосфорных удобрений.

Цикл серы

Кларк серы 0,048 %. Неорганические соединения серы в атмосфере - сернистый газ, сероводород, серный ангидрид; в гидросфере - сульфат- ионы, в литосфере - сульфаты ( гипс), сульфиды - пирит, цинковая обманка и др. В живых организмах сера входит в состав аминокислот: цистин, цистеин, метионин.

В круговороте серы участвуют соединения: сернистый газ, сероводород, серная кислота, сульфаты и отчасти свободная сера.

В атмосферу сера попадает в виде сернистого газа, сероводорода, которые окисляются до серной кислоты. Серная кислота вместе с осадками выпадает на землю, частично взаимодействует с аммиаком с образованием аэрозоля сульфата аммония.

В почве кислота вступает во взаимодействие с карбонатами. Значительная часть образовавшихся сульфатов уносится почвенными водами в реки, затем в океаны и накапливается в донных отложениях. Часть сульфатов извлекается растениями и превращается в белки. После отмирания растений и животных их белковые вещества разлагаются. И сера выделяется в виде сероводорода, включающего снова в круговорот. Главную роль в поступлении серы из биосферы играет диметилсульфид (СН₃)S. Сера появляется в почвах и гидросфере под действием серобактерий, получающих необходимую для их жизни энергию за счет экзотермической реакции

H₂S + O₂ = 2H₂O + 2S.

Выделяющаяся сера откладывается в телах серобактерий, достигая 95 % от их общей массы. Сера погибших бактерий окисляется кислородом воздуха до серной кислоты:

2H₂O +3O₂ +2S = 2H₂SO₄ .

Серобактерии играют положительную роль в биосфере, снижая концентрацию сероводорода в почве и гидросфере.

Цикл серы лишь частично балансируется выделяющимся сероводородом из океанов в атмосферу. Основная часть серы как и фосфора накапливается постепенно в донных отложениях океанов в виде малорастворимых сульфатов.

Из всех глобальных циклов цикл серы сильно нарушен деятельностью человека. Важнейшее антропогенное воздействие - это эмиссия сернистого газа, возникающая при сжигании горючих ископаемых, прежде всего угля.

Около 90 % мировой эмиссии этого газа характерно для Северного полушария. С 1860 г. по 1980 г. антропогенная эмиссия сернистого газа увеличилась в 35 раз. В среднем антропогенный поток в 2 раза превышает естественный поток. Современный сток соединений серы по речным системам в 2 раза превышает его первоначальную величину (в доиндустриальный период) вследствие эрозии почв.

Антропогенное нарушение цикла серы определяет или серьезно влияет на асидификацию экосистемы.