32. Геохімічна роль живої речовини.

В узагальнюючому вигляді роль живої речовини сформульована геохіміком Перельманом випливаючи із закону біогенної міграції атомів Вернадського: міграція хімічних елементів на земній поверхні і у біосфері в цілому відбувається або за безпосередньої участі живої речовини, або ж вона протікає у середовищі, геохімічні особливості якого зумовлені живою речовиною… Відповідно до цього закону розуміння процесів, які протікають у біосфері, неможливе без врахування біотичних і біогенних факторів. Впливаючи на живе населення Землі, люди тим самим змінюють умови міграції атомів, а отже, впливають на основоположні геологічні процеси.

Жива речовина являється найбільш активним компонентом біосфери. Вона виконує гігантську геохімічну роботу, змінюючи інші оболонки Землі в геологічному масштабі часу. Всі хімічні елементи живої матерії циркулюють в біосфері по характерним шляхам, переходячи із зовнішнього середовища в організми, а потім повертаючись назад. Ці відносно замкнуті шляхи мають назву біогеохімічних циклів, і забезпечуються участю в них живої речовини. Саме у цьому полягає геохімічна роль живої речовини.

33. Біогеохімічні цикли.

Біогеохімічні кругообіги – це частина біологічного кругообігу, що включає обмінні цикли хімічних елементів абіотичного походження, без яких не може існувати жива речовина.

Кругообіг вуглецю. Цей кругообіг є одним з найважливіших у біосфері, оскільки з ним прямо пов’язані вміст кисню в атмосфері, зміни клімату тощо. Вуглецевий цикл здійснюється у такій послідовності: спочатку з атмосфери вуглець у складі вуглекислого газу поглинається рослинами у процесі фотосинтезу з утворенням органічних речовин та побічним виділенням кисню. Рослинами він частково повертається в атмосферу при диханні, але в основному переходить в опад у складі органічної речовини, яку синтезували рослини. Редуценти розкладають цей опад а інші органічні рештки, і вуглець у формі вуглекислого газу знов надходить до атмосфери. Частина вуглецю накопичується у біосфері у формі CaCO3 (крейда, вапняк, корали), кам’яного вугілля, нафти тощо (ця частина вуглецю надовго “випадає” з кугообігу). Але під впливом коріння рослин, тварин, а також діяльності людини (використання палива, енергетика і промисловість) вуглець може вивільнятися і знов опиниться у кругообігу.

Кругообіг кисню. У цьому кругообігу чітко виражені активна геохімічна діяльність живої речовини та її першорядна роль у цьому процесі. Біогеохімічний цикл кисню є планетарним процесом, що пов’язує атмосферу і гідросферу із земною корою. З кругообігом кисню тісно пов’язане утворення озону. Він відбувається у такій послідовності:

• утворення вільного кисню у процесі фотосинтезу в зелених рослинах;

• споживання утвореного кисню для виконання дихальних функцій усіма живими організмами, а також у реакціях окиснення органічних решток і неорганічних речовин;

• інші хімічні перетворення, що приводять до утворення таких окиснених сполук, як двоокис вуглецю та вода, та послідовного їх залучення у новий цикл фотосинтетичних перетворень.

Кругообіг азоту. Майже увесь природний азот перебуває у вільному стані в атмосферному повітрі, де його вміст становить 78%. Але його частка у загальній масі хімічних елементів на планеті дуже незначна – 0,04%. Цей вільний азот, необхідний кожній живій клітині, може засвоюватися лише азотфіксувальними мікроорганізмами (головним чином, бульбочковими бактеріями), які мешкають на коріннях бобових рослин. Бактерії (анаеробні та ціанобактерії) переводять вільний азот у сполучену форму: амоній, нітрити, нітрати. Таким чином азот переходить у всі живі організми, де становить 1% сухої біомаси. Отже, джерелом азоту в біосфері є сполуки азоту, які поглинаються рослинами з ґрунту і води. У цьому кругообігу головне значення мають мікроорганізми: азотфіксатори, нітрифікатори, денітрифікатори.

Кругообіг фосфору. Цей цикл істотно відрізняється від попередніх, тому що джерелом фосфору є не атмосфера, а земна кора, а сам фосфор не відіграє ролі одного з найголовніших елементів земних оболонок. Крім того, цикл фосфору в біосфері істотно розімкнений, оскільки значна частина континентального стоку фосфатів потрапляє в глибинні океанічні осадки і накопичується там, виходячи з кругообігу. У ґрунті та природних водах фосфор постійно перебуває в дефіциті. Крім того, в результаті господарської діяльності людини (особливо виробництво фосфорних добрив) ланцюг кругообігу порушений, тому фосфор вважається найслабшою ланкою біотичного кругообігу біосфери.

Джерелом фосфору слугує літосфера, зокрема гірські породи, які містять фосфор, - фосфорити, апатити тощо. У процесі вивітрювання порід фосфор переходить у ґрунтовий розчин і стає доступним для рослин. На суші відбувається інтенсивний кругообіг фосфору в системі ґрунт – рослини – тварини – ґрунт. Редуценти мінералізують органічні сполуки фосфору в неорганічні форми – фосфати, які знов споживаються корінням рослин. Фосфати виносяться з річковим стоком, взаємодіють з Са; утворюються фосфорити, поклади яких з часом виходять на поверхню та за допомогою тварин знов включаються до міграційних процесів. Також кругообіг відбувається і у системі суша – Світовий океан.

Кругообіг сірки. Головним джерелом сірки є розчинені у воді продукти вивітрювання гірських порід (найчастіше сульфіди заліза як основний компонент колчеданів) або сірководень і сірчистий газ, які виділяються в атмосферу вулканами, гейзерами, гарячими джерелами. Сірководень, окислений атмосферним киснем до сірчистого газу, розчиняється у водяній парі атмосфери і випадає з дощем на поверхню планети. Потреби організмів у сірці відносно невеликі, а природні резервуари величезні, тому сірка не є лімітуючим біогеном.

Головна роль в обмінному фонді сірки належить спеціалізованим мікроорганізмам, одні види яких виконують реакцію окиснення, інші – відновлення. У регуляції глобального кругообігу сірки беруть участь повітря, вода і ґрунт. Сульфат є основною доступною формою сірки, що відновлюється автотрофами та включається у білки. До складу живої речовини сірка потрапляє шляхом поглинання розчинених у воді йонів сульфатів рослинами-продуцентами. Потім вона у складі рослинних білків ланцюгами живлення потрапляє до консументів і редуцентів. В анаеробних умовах (наприклад, у болотах) редуценти розкладають білки з виділенням сірки у вигляді сірководню, який може бути окисненим до молекулярної сірки або до розчинних сульфатів і сульфідів.

Кругообіг біогенних катіонів (Na, K, Ca, Mg). Ці елементи у вигляді йонів потрапляють у живу речовину в процесі поглинання води рослинами, а також під час уживання питної води. Подібно до азоту, фосфору і сірки ці елементи мігрують трофічними ланцюгами від продуцентів через консументів до редуцентів. Після загибелі організму вони швидко переходять у водні розчини і знову стають придатними для подальшого використання.

У морях Са і Mg частково вилучаються з біологічного кругообігу і консервуються в осадових породах. Наприклад, мікроскопічні морські водорості перевідкладають Са у вигляді карбонатів на поверхні клітин, утворюючи так звані коколіти. Після відмирання клітин коколіти не встигають цілком розчинитись у воді і осідають на дно, формуючи крейдяні осадові породи. Лише в геологічному вимірі часу, після підняття певних ділянок дна, Са, нагромаджений у крейді, вивільнюється в процесі вивітрювання і знов стає доступним для біоти. Отже, в природних водах, особливо в океані, реалізується потужна концентраційна функція гідро біонтів щодо Са і Mg.