Геохимическая роль и основные биогеохимические функции живого вещества

Как и на суше, в пищевых цепочках водных экосистем биомасса каждого последующего звена на порядок (то есть примерно в десять раз) меньше биомассы предыдущего. Так, для нагула 1 кг биомассы крупной хищной рыбы требуется около 10 кг мелкой рыбы, порядка 100 кг зоопланктона и порядка 1000 кг фитопланктона. Это так же, как и в наземных биоценозах, обусловлено неполнотой усвоения энергии при переходе на более высокий трофический уровень.

Биологический круговорот в океане не является полностью замкнутым внутри океана как системы. Часть биологической продукции может поступать в наземные ландшафты (в природных условиях – в основном благодаря птицам, питающимся морской рыбой). С другой стороны, органические вещества представлены в составе стока поверхностных вод суши в Мировой океан. Непрерывно идёт и обмен продуктами разложения органических веществ между океаническими водами, атмосферой и литосферой. Так что биологические процессы в Мировом океане являются составной частью общего биологического круговорота в биосфере.

Наиболее тонкий, самый верхний плёночный слой океанических вод, толщиной около 1 миллиметра, выделяется как особая зона в Мировом океане Она играет ведущую роль в благополучии развития жизни во всей биосфере Земли. Эта зона исключительно богата так называемым неживым органическим веществом, которое является готовой пищей для всех обитателей моря. наиболее хорошо освещена Солнцем, в том числе оказывающими активное биологическое воздействие инфракрасными и ультрафиолетовыми лучами. При этом она насыщена свободным кислородом. Взбиваемая ветром на поверхности океана морская пена оказывает стимулирующее воздействие на рост и развитие живых организмов. Более 90% беспозвоночных и рыб, обитающих в пелагиали и на морских мелководьях, использует эту плёнку для откладывания икры и выращивания молоди.

Что касается более мощного фотического слоя, то его значение определяется процессами жизнедеятельности фитопланктона – основы трофических цепей экосистем открытого моря. Ведущая роль фитопланктона фотической зоны в питании внутренних областей океана обусловлена тем, что сток органических и минеральных веществ, поступающих с суши, связывается в прибрежной зоне, и во внутренние области океана приток вещества с поверхности материков практически отсутствует. Благодаря жизнедеятельности фитопланктона, в наибольшей мере диатомовых водорослей, в фотическом слое внутренних областей океана постоянно образуется огромное количество биогенной взвеси, объём которой многократно превышает поступление взвешенного вещества с континентов. Отмирающий планктон постепенно осаждается на дно, обеспечивая органогенным материалом более глубинные зоны. Осаждаясь, остатки планктонных организмов уносят с собой биогенные соли, что несколько снижает плодородие фотического слоя. Одновременно осаждаются и разнообразные загрязняющие вещества, поступающие в океан из атмосферы.

Ведущую роль в процессах биогенной фильтрации играет уже не фито-, а зоопланктон. Большинство зоопланктонных организмов добывают пищу, фильтруя из воды мельчайшие взвешенные частицы. Весь объём воды фотической зоны пропускается этими организмами через себя за 20 суток. Выделяемые фильтраторами пелетты (продукты жизнедеятельности) в виде комочков постепенно оседают на дно. Любое нарушение экологического равновесия в фотическом слое океана неизбежно будет вызывать сбои в механизме самоочистки.

Важной экологической функцией поверхностного слоя океана является «откачка» избыточного количества СО2 из атмосферы. Подсчитано, что океан «изымает» из атмосферы около половины количества излишков углекислого газа, поступающего в неё за счёт техногенных процессов. Функцию «насоса» выполняет живое вещество. При этом живые организмы связывают эти излишки в форме карбонатных солей, используемых на строительство собственных скелетов, а затем осаждают их на дно в виде известковых илов, в дальнейшем превращающихся в биогенные горные породы карбонатного состава (известняки и другие).

Масштабы биогенной седиментации в устьях рек обусловлены активной деятельностью фитопланктона. Благоприятная обстановка для его бурного расцвета возникает здесь за счёт выноса речными водами большого количества питательных веществ – как органических, так и минеральных. Развитие фитопланктона создаёт условия для распространения питающегося им зоопланктона, а также более крупных организмов. В результате устья рек характеризуются очень высокой биологической продуктивностью. Она здесь в 20 раз превышает продуктивность внутренних областей океана, и в 10 - продуктивность других прибрежных зон. Поглощая растворённые вещества и осаждая их в результате своей гибели на дно, планктонные организмы вносят свой весьма существенный вклад в очистку природных вод, стекающих с суши в Мировой океан.

В общей сложности на границе река/море осаждается 93% взвешенных веществ речного стока и 40% растворённых. Вследствие этого устья рек играют в биосфере нашей планеты важнейшую экологическую роль. Они выполняют функцию маргинальных (краевых) фильтров, очищающих природные воды и предохраняющих Мировой океан от загрязнения.

К сожалению, полностью защитить океанические воды от техногенного загрязнения фильтрующие системы устьев рек неспособны. Особенно, если учесть, что значительная часть загрязнителей поступает в океан на других участках побережий, а также из атмосферы или непосредственно сбрасывается человеком в море. Но без их деятельности степень загрязнения Мирового океана была бы многократно выше.

Основной высокой биопродуктивности прибрежной зоны моря является поступление в составе речного стока значительных количеств взвешенного органического вещества, нередко соизмеримое с объёмом в сопряжённых наземных ландшафтах. И уж во всяком случае многократно превосходящее его изначальное содержание в морской воде. Сочетание с этим небольшой глубины (а, следовательно, и доступности придонной части для проникновения солнечного излучения) обеспечивает богатство и разнообразие не только планктонных и нектонных, но и бентосных форм морской флоры и фауны. В результате в сравнительно узких прибрежных зонах (а в особенности в устьях рек) производится существенная доля биологической продукции Мирового океана, в том числе и потребляемой человеком.

Экосистемы наземных водоёмов.

Основная специфика в сравнении с океаном:

1. Небольшие размеры. Поэтому граничные поверхности, как правило, не только резко сближены – в самых малых водоёмах они совмещаются, накладываются друг на друга, фактически заполняя весь его объём. Исключение – крупные и глубокие озёра. Но даже в них обмен веществом между разными участками достаточно активен, и каждый поверхностный водоём обычно является целостной экосистемой с очень высоким уровнем взаимозависимости между всеми её компонентами.

Как правило, низкий уровень минерализации вод. Соответственно, исходно худшие (при равной степени освещённости) условия для развития фитопланктона во внутренних частях водоёмов, для которого имеется меньше минерального питания. Ситуация резко меняется при условии активного привноса минеральных веществ в водоём с сопредельных участков суши.

В биосфере происходит использование аккумулированной солнечной энергии: высвобождение её при разложении органических соединений и преобразование в тепловую энергию и энергию химических процессов.

Другая ветвь энергетического потока (не использованной при фотосинтезе):

• преобразование в тепловую энергию;

Основные функции и роль живого вещества в биосфере.

В.И. Вернадский химические проявления живого вещества в биосфере разделил на 5 групп биогеохимических функций:

2. Газовые:
• кислородно-углекислотная (в результате создается подавляющая масса свободного кислорода на планете). Носителями этой функции являются хлорофиллсодержащие зеленые растения;
• углекислотная (независимая от кислородной) – создается биогенная угольная кислота в результате дыхания животных, жизнедеятельности грибов, бактерий;
• озонная и перекисьводородная (биогенный кислород, переходя в озон, предохраняет жизнь от пагубного действия ультрафиолетового излучения);
• азотная –свободный азот тропосферы создается веществом почвы. По мнению В.И. Вернадского не меньшее значение имеет биогенная реакция, идущая на поверхности океана, главным образом, в фитопланктоне и саргассовых областях;
• углеводородная (сотни и тысячи биогенных газов-углеводородов создаются живым веществом. В хвойных лесах в солнечные дни количество углеводородов в воздухе может достигать нескольких процентов по весу;
• водная –биогенный круговорот воды
• сероводородная и сульфидная (биогенное образование сероводорода является важнейшим звеном биогеохимического цикла серы в атмосфере. Превращение органической серы животными и бактериями в конечный продукт – сероводород и восстановление минеральной серы бактериями в процессе десульфофикации – две стадии сероводородной функции живых организмов).

2. Концентрационные: проявляются способности живых организмов накапливать химические элементы.
3. Окислительно-восстановительные.
4. I биохимическая – связана с питанием, дыханием, размножением организмов.
5. II биохимическая – связана с постмортальным разрушением тел живых организмов. При этом происходит ряд биохимических превращений: живое тело – биокосное – косное.

Итак, роль живых организмов в трансформации биосферы заключается в:

1. Изменении состава атмосферы гидросферы (газовая фаза, состав солей) и атмосферы. Подробнее этот вопрос мы рассмотрим позднее, завершая наш курс.
2. Изменении химизма ландшафтных сред на поверхности суши (химическая активность продуктов жизнедеятельности и разложения ОВ; создание химически контрастных, неравновесных условий; вторичное возникновение восстановительных обстановок в областях накопления неразложившегося ОВ).
3. Биогенном выветривании.
4. Почвообразовании.
5. Увеличении разнообразия природных обстановок в ГО.
6. 6. Появлении новых ветвей в геохимических круговоротах:

• новые ветви и качественные особенности в круговороте воды (биологическое поглощение, с целью использования воды для создания ОВ и как носителя, обеспечивающего биохимические и физиологические процессы в организме; транспирация; возможность задержания воды в почвах и рыхлых грунтах под защитой растительного покрова);
• влияние на геологический круговорот (концентрация отдельных элементов живыми организмами, биогенное осадконакопление);
• новый тип круговорота вещества – биологический круговорот, осуществляемый в процессах жизнедеятельности организмов и разложения ОВ

Давайте рассмотрим несколько подробнее некоторые основные геохимические функции живого вещества.

1. Биологическое  поглощение.

Заключается в способности организмов избирательно поглощать из почвы и горных пород определённые химические элементы.

Как показатель интенсивности химического поглощения используется отношение содержания элемента в золе растений к его количеству в почве или в горной породе (коэффициент биологического поглощения, - сравните его с коэффициентом биофильности)):

Ax = lx/nx

При величине Ax>1 элементы накапливаются в растениях, а при меньшем – только захватываются.

Используется целый ряд отношений и коэффициентов, в том числе с учётом не только литосферных, но и биосферных кларков (т.е. учитывающих гидро- и атмосферу), переноса элементов с ионным стоком и др., но общий смысл один. Это способность растительных сообществ (на Земле в целом или в отдельных районах) накапливать различные химические элементы.

Разнообразие климатических условий и геологического строения местности обуславливает геохимическое разнообразие живого вещества. Живое вещество солончаков обогащено Na, Cl, S, в степях – Ca, в экваториальных лесах – растения относительно обогащены Al и т.д. При этом характерно, что каждый вид в большой степени наследует особенности химизма той обстановки, в которой он сформировался (т.е., осваивая другую среду, он будет избирательно извлекать из почвы те элементы, в которых он более нуждается). Способность вида накапливать химические элементы, выраженная в суммарных коэффициентах концентрации называется биогеохимической активностью вида.

Растения, сформировавшиеся в гумидных ландшафтах, преимущественно накапливают катионогенные элементы (Pb, Zn, Cu, Ni, Co и др.) –гумидокатные растения. Растения, сформировавшиеся в аридных ландшафтах, энергичнее накапливают анионогенные элементы (V, Mo, Cr, As, с учётом способности элементов образовывать комплексные анионы) – ариданитные растения.

Есть существенные различия в отношении накопления химических элементов между наземными и морскими растениями и т.д.

Существенные индивидуальные особенности характерны для отдельных таксонов (семейств, родов, видов и др.). Диатомовые водоросли накапливают кремний. Злаковые – также Si (хотя и в меньших масштабах), бобовые – Са, картофель – К, плауны – Al, мхи – железо, некоторые водоросли – J и т.д. Особой способностью к поглощению разнообразных редких элементов обладают мхи и лишайники.

Показатель индивидуальной способности вида к концентрации химического элемента – ОСВР (относительное содержание в виде растения), по А.Л. Ковалевскому. Это отношение содержания элемента в данном виде к содержанию в другом, принятом за эталонный в данном ландшафте. Если ОСВР >2,5 – вид относится к концентраторам, если <0,4 – к деконцентраторам.

Концентраторы: