М.Э. Гусельников, В.Н. Стройнова
Биоэкология
Учебное пособие. – Томск: Изд. ТПУ, 2002. – 104 с.

3. Круговорот веществ и эволюция биосферы

Биогенная миграция атомов

          Количество вещества в биосфере конечно, однако биосфера существует 3 - 4 млрд. лет, то есть практически бесконечно. Как объяснить это противоречие? Дело в том, что благодаря биогеохимическим циклам в кругообороте веществ одни и те же биогенные атомы многократно участвуют в жизни на Земле. Вещество в биосфере находится в состоянии непрерывного обновления с помощью биогенной миграции атомов в биогеохимических циклах отдельных химических элементов. Биогеохимические циклы - это перемещение и превращение химических элементов в биосфере при участии живого вещества. Биогенная миграция атомов - это перемещение атомов вещества при участии живого вещества.

Биогенная миграция атомов подчиняется трем принципам Вернадского:

1.  Биогенная миграция атомов химических элементов в биосфере всегда стремится к максимальному проявлению.

2.  Эволюция видов, приводящая к появлению устойчивых форм жизни, всегда идет в направлении  усиления биогенной миграции атомов.

3.  Живое вещество биосферы находится в непрерывном химическом обмене с космосом и создается и поддерживается энергией Солнца.

Нарушение любого из трех принципов Вернадского ведет к неустойчивости и исчезновению жизни. Например, нарушение третьего принципа - изоляция от Солнца - ведет к исчезновению жизни в глубинах океана или под землей.

Кругооборот веществ поддерживается непрерывно благодаря солнечной энергии, поступающей в биосферу Земли из космоса. Например, весь кислород атмосферы оборачивается через живое вещество за 2 тыс. лет, углекислый газ - за 200 - 300 лет, а вся вода биосферы - за 2 млн. лет. Не полная замкнутость биогеохимических циклов приводит к тому, что в атмосфере накапливаются азот и кислород, а в земной коре - различные химические элементы и соединения. Какое значение имеют в биогеохимических циклах разные формы жизни? Клеточные формы жизни, такие как бактерии, являются автотрофами в своем большинстве и накапливают азот. Бактерии - гетеротрофы разлагают отмершие организмы и возвращают химические элементы в окружающую среду. Клеточные организмы, например растения, являются автотрофами и синтезируют с помощью фотосинтеза органическое вещество (углеводы) из неорганического: 6СО₂ + 6Н₂О → С₆Н₁₂О₆ + 6О₂. Многоклеточные животные - гетеротрофы переносят органическое вещество в биосфере на большие расстояния. Таким образом, различные живые организмы участвуют в биогеохимических циклах кругооборота вещества в биосфере.

Основными биогеохимическими циклами являются циклы С, О, N, Н, P, S и биогенных катионов. Важными являются круговороты воды, углекислого газа, кислорода. Следует отметить особенности биогенной миграции атомов, наиболее распространенных во Вселенной и важных для жизнедеятельности живых организмов:

Углерод С: оборачивается посредством дыхания животных и фотосинтеза растений в составе СО₂ и углеводов. Цикл незамкнут, разложение СО₂ приводит к образованию С и оседанию атомов в океане или почве. Оттуда после окисления до СО₂ возвращается в атмосферу. Участие человека нарушает естественный цикл, при сжигании топлив и увеличении транспортного потока в мегаполисах  образуется избыток окислов углерода в атмосфере. Это приводит к появлению парникового эффекта и изменению климата;

Кислород О: в биосфере существует в виде озона О₃, молекулярного О₂ и атомарного О кислорода. Цикл незамкнут, озон, молекулярный и атомарный кислород накапливаются в основном в атмосфере. Вмешательство человека (транспортная проблема и сжигание топлив) в естественный природный цикл приводит к недостатку молекулярного кислорода в атмосфере больших городов и нарушению озонового слоя (озоновые дыры);

Азот N: является основной составляющей атмосферы. Фиксируется бактериями почвы, затем поступает в растения в виде нитратов и нитритов. Преобразуется в аммоний при помощи фотосинтеза. Цикл незамкнут, азот накапливается в почве и в атмосфере. Сельскохозяйственная деятельность человека нарушает естественный цикл и приводит к перенасыщению почвы азотом;

Водород Н: атом входит в состав воды и в свободном виде в природе практически не встречается. Поскольку круговорот воды является глобальным и происходит в основном без участия человека (осадки (конденсация), ветер, испарение), биогеохимический круговорот не нарушается;

Фосфор Р: особенность биогенной миграции фосфора состоит в том, что он в атомарном состоянии накапливается главным образом в морепродуктах. Накапливается также в почве (апатиты). Внесение сельскохозяйственных удобрений нарушает естественный цикл и приводит к избыточной концентрации фосфора в почве.

По отношению к круговороту веществ живые организмы классифицируются следующим образом:

1.  ПРОДУЦЕНТЫ - автотрофные организмы, преобразующие неорганические соединения в органические посредством солнечной энергии. К ним относятся в основном растения.

2.  КОНСУМЕНТЫ - гетеротрофные организмы, питающиеся продуцентами. Консументы первого порядка - растительноядные, консументы второго и более порядков - плотоядные.

3.  РЕДУЦЕНТЫ (ДЕСТРУКТОРЫ) - организмы, разлагающие органические остатки до неорганического состояния. Редуценты осуществляют обратную связь в круговороте веществ. Это бактерии, грибы, микроорганизмы. Относятся либо к гетеротрофам, либо выделяются в отдельный класс организмов, осуществляющих обратную связь между органическим и неорганическим веществом.

Участие перечисленных организмов в круговороте веществ осуществляется благодаря ТРОФИЧЕСКИМ, или пищевым, цепям - связям между организмами, по которым передаются вещество и энергия. Схематично механизм круговорота веществ в биосфере изображен на рис. 3.1.

Функции живого вещества в биосфере

Из анализа биогенной миграции атомов и трофических цепей вытекают биосферные функции живого вещества Земли:

1.  Энергетическая. Аккумулирование, получение из пищи, передача по трофическим цепям.

2.  Концентрационная - накопление в ходе  жизнедеятельности веществ, используемых для построения тела и удаляемых из организма.

3.  Деструктивная. Минерализация (или разложение) неживого органического вещества.

4.  Средообразующая - преобразование физико-химических параметров среды.

5.  Транспортная - перенос вещества.

Эволюция биосферы

Исторически сложились три группы гипотез происхождения жизни на Земле:

1.  Теории, в основе которых лежат религии.

2.  Жизнь на Землю была занесена из Космоса.

3.  Эволюционная теория.

Рассмотрим подробно третью гипотезу. Эволюция - это необратимый процесс  исторического  изменения  жизни.  Теория  эволюции  разработана Ч. Дарвиным в ХIХ в. и основана на четырех принципах:

1.  Избыточное потомство. Все биологические виды способны давать большее потомство, чем это необходимо для простого воспроизводства родителей. Например, одна пара мышей способна давать по 6 мышат 6 раз в год (36 мышат). Более того, через 6 недель после рождения мышата способны давать потомство. Почему же Земля не наводнена мышами? Потому что не все потомство выживает и численность популяции имеет тенденцию к стабилизации.

2.  Борьба за выживание. Среда воздействует на отдельные особи, стабилизируя численность популяции. Окружающая среда - это не только пища и условия для размножения, но и хищники и конкуренция. Поэтому в любой популяции не все особи выживают и дают потомство.

3.  Некоторые существенные различия. Поскольку все отдельные особи индивидуальны, одни имеют больше шансов на выживание, другие - меньше. Например, мыши различны по окраске, одни светлее, другие темнее. Темные мыши легче выживают, поскольку неразличимы ночью и их меньше съедают совы.

4.  Вопрос наследственности. Следует заметить, что при наследовании осуществляется обмен информацией между системами (например организмами детей и родителей). Наследственная информация передается от родителей к детям. Некоторые различия между особями одного вида - наследственные, например цвет шкурки у мышей. Поскольку темные мыши лучше выживают, в следующем поколении будет больше темных мышей, чем в предыдущем.

Через много поколений число хорошо адаптировавшихся особей в популяции возрастет. Дарвин назвал этот процесс естественным отбором. Таким образом, воспроизводство живого вещества происходит не простым штампованием, а путем эволюции - постепенных изменений в строении и функциях.

ЗАКОН ЭКОЛОГО-СИСТЕМНОЙ направленности эволюции: любые эволюционные изменения направляются внешними факторами окружающей среды и внутренними системными особенностями. То есть эволюция не является случайным процессом, а определяется внешними и внутренними причинами. Внутренними факторами могут быть мутации - скачкообразные генетические изменения, тогда скорость эволюции значительно увеличивается. Внешним фактором служит влияние системы более сложной организации. Например, для биосферы- это космос, для любой экосистемы - биосфера Земли, для популяции - сообщества, экосистема и биосфера.

Таким образом, биосфера является открытой системой высшей степени организации и порядка. Биосфера Земли связана обменными процессами с космосом. Внутри биосферы осуществляется обмен веществом, энергией и информацией - круговорот веществ. Биосфера является динамической системой и подвержена процессу эволюции.

Тест

1. Можно ли считать небиогенным круговорот следующих веществ в биосфере?

1. О₂                     2. СО₂                  3. Н₂О

2. Являются ли автотрофные организмы:

1. Консументами 1 порядка.

2. Продуцентами. 

3. Консументами 3 порядка.

3. Являются ли гетеротрофные организмы:

1. Продуцентами.

2. Редуцентами.  

4. Какой вид обмена осуществляется с помощью трофических цепей?

1. Обмен энергией и информацией.

2. Обмен веществом и информацией.

3. Обмен энергией и веществом. 

5. Являются ли биогеохимические циклы СО₂, Н₂О, О₂, N₂:

1. Незамкнутыми.                            2. Замкнутыми.

6. Как вы оцените последствия вмешательства человека в биогеохимические циклы СО₂, О₂, N₂ в биосфере?

1. Положительно.

2. Отрицательно.  

3. Нейтрально.