Н.В. Гусакова, А.И. Забалуева, В.В. Румянцева
Экология: конспект лекций
Под редакцией А.Н. Королева. - Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2006. - 176с.
Лекция 5. Функции сохранения живого вещества. Закон сохранения живого вещества. Геохимическое представление биосферы
5.2. Закон сохранения живого вещества
Очень образно формулирует этот закон В.И. Вернадский:
"Атомы, вошедшие в какую-нибудь форму живого вещества, захваченные
единичным жизненным вихрем, с трудом возвращаются, а может быть, и не
возвращаются назад, в косную материю биосферы". Благодаря закону
сохранения можно говорить об атомах, остающихся в пределах живой материи в
течение геологических периодов, всё время находящихся в движении и миграции, но
не выходящих назад в косную материю. Иными словами, основу функционирования
живого вещества составляет биотический круговорот веществ.
Биотический круговорот обеспечивается взаимодействием
трёх основных групп организмов:
продуцентов,
(зелёных растений), осуществляющих фотосинтез, и бактерий, способных к хемосинтезу,
– они создают первичное органическое вещество;
консументов
потребляющих органическое вещество, – это растительноядные и хищные животные;
редуцентов
(деструкторов), разлагающих мёртвое органическое вещество до минерального, –
это в основном бактерии, грибы и простейшие животные.
На восходящей ветви биотического круговорота (рис. 5),
основанного на выполнении энергетической функции зелёными растениями,
происходит аккумуляция солнечной энергии в виде органических веществ,
синтезируемых растениями из неорганических соединений – углекислого газа, воды,
азота, зольных элементов питания. Нисходящая ветвь биотического круговорота
связана с потерями органического вещества. Важнейший процесс – дыхание
растений, при котором до половины ассимилированного при фотосинтезе органического
вещества окисляется до СО2 и возвращается в атмосферу. Второй
существенный процесс расходования органического вещества и накопленной в нём
энергии – это потребление растений консументами первого порядка –
растительноядными животными. Запасаемая фитофагами с пищей энергия также в
значительной мере расходуется на дыхание, жизнедеятельность, размножение,
выделяется с экскрементами.
Рис. 5. Модель биотического круговорота веществ
Каждое звено экосистемы поставляет в
окружающую среду органические остатки (детрит), которые служат источником пищи
и энергии для животных-сапрофагов, а главным образом для микроорганизмов –
бактерий, грибов, актиномицетов и др. Завершающим этапом превращения
органического вещества являются процессы гумификации и далее окисления гумуса
до СО2 и минерализации зольных элементов, которые вновь возвращаются
в почву и атмосферу, обеспечивая растения пищей.
Биотический круговорот представляет собой непрерывный
процесс создания и деструкции органического вещества. Он реализуется при
участии представителей всех трёх групп организмов:
- продуцентов, производящих основу жизни, – первичное
органическое вещество;
- консументов разных порядков, потребляющих первичную
и вторичную продукцию, переводящих органическое вещество из одной формы в
другую и способствующих возрастанию многообразия форм жизни на Земле;
- редуцентов, разлагающих органическое вещество до
минерального и возвращающих его к началу круговорота.
Глобальные циклы миграции химических элементов не
только связывают три наружные оболочки нашей планеты в единое целое, но и
обусловливают непрерывную эволюцию её состава.
В биотическом круговороте помимо образующих
органическое вещество элементов (кислород, углерод, водород) принимает участие
большое число биологически важных элементов (азот, кальций, натрий, калий,
кремний, фосфор, сера), а также микроэлементов (бром, йод, цинк, серебро,
молибден, медь, магний, свинец, кобальт, никель). Список элементов, поглощаемых
живым веществом, можно значительно расширить, причём в него входят даже
ядовитые элементы (ртуть, селен, мышьяк), а также радиоактивные.
Отметив циклический характер массоэнергообмена,
ответим на вопрос о скорости круговорота различных веществ в биосфере.
Биохимические циклы. В экосистемах очень важна роль биохимических циклов.
Биогенные элементы – C, O2, N2
, P, S, CO2, H2O и другие – в отличие от энергии удерживаются в экосистемах
и совершают непрерывный круговорот из внешней среды в организмы и обратно во
внешнюю среду. Эти замкнутые пути называют биохимическими циклами. В
каждом круговороте различают два фонда: 1) резервный, включающий большую массу
движущихся веществ, в основном не биологических элементов, 2) подвижный, или
обменный, фонд – по характеру более активный, но менее продолжительный, отличительной
особенностью которого является быстрый обмен между организмами и их непосредственным
окружением.
Биохимические циклы можно подразделять на два
типа: 1) круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере и
гидросфере (океан), 2) осадочный цикл с резервным фондом в земной коре.
Из 90 с лишним элементов, встречающихся в природе, 30
–40 необходимы для живых организмов. Человек уникален не только тем, что его
организм нуждается в 40 элементах, но и тем, что в своей деятельности
использует почти все другие имеющиеся в природе элементы.
Круговорот азота. Азот составляет около 80 % атмосферного воздуха и является крупнейшим
резервуаром и предохранительным клапаном атмосферы. Однако большинство организмов
не могут усваивать азот из воздуха. Между тем азот участвует в построении всех
белков и нуклеиновых кислот. Усваивать азот из воздуха способны только
некоторые организмы, например бактерии, которые существуют в симбиозе с
бобовыми растениями (горох, фасоль, соя). Они поселяются на корнях бобовых
растений, образуя клубеньки, в которых и происходит химическая фиксация азота.
Азот могут усваивать также сине-зелёные водоросли, называемые цианобактериями.
Они образуют симбиоз с плавающим папоротником, который растёт на заливаемых
водой рисовых полях и до высадки посадки риса удобряет эти поля азотом. Первый
этап фиксации атмосферного азота приводит к образованию аммиака и называется
аммонификацией. Аммиак используется растениями для синтеза аминокислот, из которых
состоят белки. Второй этап фиксации азота микроорганизмами – нитрификация, при
этом образовавшийся аммиак преобразуется в соли азотной кислоты – нитраты.
Нитраты усваиваются корнями растений и транспортируются в листья, где
происходит синтез белков. Процесс разложения белков, осуществляемый особой
группой бактерий, называется денитрификацией. Распад идёт сначала с образованием
нитратов, потом аммиака и, наконец, молекулярного азота. Количество азота в
живых тканях составляет около 3 % его содержания в обменных фондах экосистем.
Общее время круговорота азота – примерно 100 лет.
Круговорот углерода. Круговороты углекислоты и воды в глобальном масштабе
– самые важные для человечества биогеохимические круговороты.
В круговороте CO2 атмосферный фонд невелик по сравнению с запасами
углерода в океанах, ископаемом топливе и других резервуарах земной коры. До
наступления индустриальной эры потоки углерода между атмосферой, материками и
океанами были сбалансированы. Но в XX в. содержание CO2
постоянно растёт в результате
новых техногенных поступлений (сжигание горючих ископаемых, деградация
почвенного слоя, сведение лесов и т.д). В 1800 г. в атмосфере Земли содержалось
0,29% CO2; в 1958
– 0,315 %, а к 1980 г. его содержание выросло до 0,335 %. Если концентрация CO2
вдвое превысит доиндустриальный
уровень, что может случиться в середине XXI в., то
температура поверхности Земли и нижних слоёв атмосферы в среднем повысится на
3о. В результате чего подъём уровня моря, и перераспределение
осадков могут погубить сельское хозяйство.
Биологический круговорот углерода достаточно прост; в
нём участвуют только органические соединения и CO2 . Растения потребляют ежегодно около 100 млрд т
углерода, 30 млрд т возвращаются в атмосферу в результате дыхания растений.
Остальные 70 млрд т обеспечивают дыхание и продукцию животных, бактерий и
грибов в различных трофических цепях. Растения и животные ежегодно пропускают
через себя 0,25–0,30 % углерода , содержащегося в атмосфере и океанах. Весь
обменный фонд углерода совершает круговорот каждые 300–400 лет.
Кроме CO2 в
атмосфере присутствует в небольших количествах окись углерода – CO
(примерно 0,1 части на миллион). Однако в городах с интенсивным автомобильным
движением содержание CO может достигать 100 частей на миллион, что
представляет угрозу для здоровья человека. Для сравнения можно привести другой
пример: курильщик, потребляющий в день пачку сигарет, получает до 400 частей СО
на миллион, что часто является причиной анемии и других сердечно-сосудистых заболеваний.
Другое соединение углерода в атмосфере – метан (CH4), который поддерживает стабильность озонового слоя в
атмосфере.
Круговорот воды. Вода составляет значительную часть живых существ: в теле человека – 60
% от веса, а в растительном организме достигает 95 %.
Для человечества важны фазы круговорота в пределах
экосистем. Здесь происходят четыре процесса:
-
перехват. Растительность
перехватывает часть выпадающей в осадках воды до того, как она достигает почвы.
Перехваченная вода испаряется в атмосферу. Величина перехвата в умеренных
широтах может достигать 25 % общей суммы осадков, это – физическое испарение;
-
транспирация – биологическое
испарение воды растениями. Это не дождевая вода, а вода, заключённая в
растении, т.е. экосистемная. Растения, потребляя около 40 % общего количества
осадков, играют главную роль в круговороте воды;
-
инфильтрация – просачивание воды в
почве. При этом часть инфильтрованной воды задерживается в почве тем сильнее,
чем значительнее в ней коллоидальный комплекс, соответствующий накоплению в
почве перегноя;
-
сток. В этой фразе круговорота
избыток выпавшей с осадками воды стекает в моря и океаны.
Отличие циклов углерода и азота от круговорота воды
состоит в том, что в экосистемах два названных элемента накапливаются и
связываются, а вода проходит через экосистемы почти без потерь. Биосфера
ежегодно использует на формирование биомассы 1% воды, выпавшей в виде осадков.
Круговорот фосфора. Фосфор – один из наиболее важных биогенных компонентов. Он входит в
состав нуклеиновых кислот, клеточных мембран, систем аккумуляции и переноса
энергии, костной ткани и дентина. Круговорот фосфора всецело связан с деятельностью
организмов.
В отличие от азота и углерода резервуаром фосфора
служат не атмосфера, а горные породы и отложения, образовавшиеся в прошлые
геологические эпохи. Круговорот фосфора – типичный пример осадочного цикла.
|