Круговороты в биосфере

5). Важнейшее свойство биосферы – наличие в ней механизмов, обеспечивающих круговорот вещества и связанного с ним неисчерпаемость отдельных химических элементов и их соединений.

2. ЖИВОЕ ВЕЩЕСТВО БИОСФЕРЫ

«На земной поверхности нет химической силы, могущественней по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом». «Если бы на Земле не было жизни, лицо ее было бы точно также неизменным и химическим инертным, как недвижимое лицо Луны, как инертные обломки небесных светил». Живое вещество биосферы есть совокупность всех ее живых организмов. Как ученый В.И. Вернадский понимает, что объект  его исследований требует некоторых характеристик, а поэтому отмечает: «Я буду называть совокупность организмов, сведенных к массе, химического состава и энергии, живым веществом». Живое вещество в его понимании – это форма активной материи, и ее энергия тем больше, чем больше масса живого вещества. Понятие «живое вещество» ввел в науку В.И. Вернадский и понимал над ним совокупность всех живых организмов планеты.

2.1. Свойства живого вещества в биосфере

1). Живое вещество биосферы характеризуется огромной свободной энергией, которую можно было бы сравнить разве что с огненным потоком лавы, но энергия лавы не долговременна.

2). В живом веществе, благодаря присутствию ферментов, химические реакции происходят в тысячи, а иногда и в миллионы раз быстрее, чем в неживой. Для жизненных процессов характерно то, что полученные организмом вещества и энергия перерабатываются и отдаются в значительно больших количествах. Например, масса насекомых, которых съедает синица за день, равна ее собственной массе, а некоторые гусеницы употребляют и перерабатывают за сутки в 200 раз больше еды, чем весят сами. Индивидуальные химические элементы (белки, ферменты, а иногда и отдельные минеральные соединения синтезируются только в живых организмах).

3). Живое вещество стремится заполнить собой все возможное пространство. В.И. Вернадский называет две специфические формы движения живого вещества:

а) пассивную, которая осуществляется размножением, и присуща как животным, так и растительным организмам;

б) активную, которая осуществляется за счет направленного движения организмов (меньшей мерой характера для растений).

4). Живое вещество проявляет значительно большее морфологическое и химическое разнообразие, чем неживое. В природе известно более 2 млн. органических соединений, которые входят в состав живого вещества, тогда когда количество минералов неживого вещества составляет около 2 тыс., то есть на три порядка ниже.

5). Живое вещество представлено дисперсными телами – индивидуальными организмами, каждый из которых имеет свой собственный генезис, свой генетический состав. размеры индивидуальных организмов колеблется от 2 нм у  наименьших до 100 м (диапазон более 109). Крупнейшими из растений считаются секвойи, а из животных – киты. По мнению Вернадского, минимальные и максимальные размеры организмов определяются граничными возможностями их газового обмена со средой. Будучи дисперсным, живое вещество никогда не попадается на Земле в морфологически чистой форме, например в виде популяционного вида. Она может существовать только в виде биоценоза: «… даже простенький биоценоз какого-то сухого соснячка на песочке есть группировка, которая состоит приблизительно из тысячи видов живых организмов».

Принцип Реди (флорентийский академик, врач и натуралист, 1626-1697: «все живое из живого» — является отличительной особенностью живого вещества, которое существует на Земле в форме беспрерывного чередования поколений и характеризуется генетической связью с живым веществом всех прошлых геологических эпох. Неживые абиогенные вещества, как известно, поступают в биосферу из космоса, ним же выносятся порциями из оболочки земного шара. Они могут быть аналогичными по составу, но генетической связи в общем случае у них нет. «Принцип Реди … не указывает на невозможность абиогенеза вне биосферы или при установлении наличия в биосфере (теперь или раньше) физико-химических явлений, не принятых при научном определении этой формы организованности земной оболочки».

6). Живое вещество в лице конкретных организмов, в отличие от неживого, осуществляет на протяжении своей исторической жизни грандиозную работу. По сути, только биогенные вещества метабиосферы – это интеграл массы живого вещества, тогда как масса неживого вещества земного происхождения является величиной постоянной в геологической истории: 1 г архейского гранита и сегодня остается 1 г того же вещества, а та же масса живого вещества, то есть 1 г, на протяжении миллиардов лет существовала за счет изменения поколений и все это время выполняла геологическую работу.

2.2. Функции живого вещества в биосфере

В.И. Вернадский называет такие:

а) газовая;

б) кислородная;

в) описательная;

г) кальционная;

д) восстановительная;

е) концентрационная;

ж) разрушения органических веществ;

з) восстановительного распада;

и) метаболизма и дыхания организмов.

А.В. Лапо перегруппировал названные Вернадским функции.

                     Основные функции живого вещества в биосфере

1). Энергетическая             

Поглощение солнечной энергии в процессе фотосинтеза, а химической энергии путем распада энергонасыщенных веществ; передача энергии пищевыми цепями разнородного живого вещества

2). Концентрационная             

Выборочное накопление в ходе жизнедеятельности отдельных видов вещества: а) использованной для создания тела организма; б) выделенной из него в процессе метаболизма

3). Деструкционная             

Минерализация небиогенного органического вещества (1); разложение неживого неорганического вещества (2); всасывание созданных веществ в биохимический круговорот (3)

4). Средообразующая             

Превращение физико-химических параметров среды (главным образом за счет небиогенного вещества)

5). Транспортная             

Перенос вещества против силы тяжести и в горизонтальном направлении

Первой названа энергетическая функция. «Только жизнь с его морфологическим осложнением может удерживать солнечное излучение на Земле миллионы лет, как мы увидим на примере каменного угля. Действительно, только благодаря «зеленому экрану» биосферы – фотоавтотрофам – солнечная энергия не просто отбивается от поверхности планеты, нагревая только поверхностный слой, а глубоко проникает в толщи земной коры и является энергетическим источником, по сути, для всех экзогенных процессов».

3. ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ, КРУГОВОРОТЫ КИСЛОРОДА, УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА, АЗОТА

В отличие от энергии, поступающей от Солнца, дополнительному количеству дефицитного вещества взять его неоткуда. Единственный возможный вариант – использовать вещество многократно, иначе говоря, включить его в круговорот. Конечно, ни одна отдельно взятая группа организмов не может сама «организовать» круговорот нужного элемента. Обязательно требуется несколько организмов, выполняющих совершенно разные операции, но всегда извлекающих для себя пользу. «Жизнь есть способ существования баиновых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней средой, причем с прекращением этого обмена веществ, прекращается и жизнь» . К примеру есть организмы, не использующие солнечную энергию для построения сложных органических веществ из воды и углекислого газа – фотоавтотрофы. После их отмирания образуется запас органического вещества, представляющий немалую энергетическую ценность. Таким образом создаются условия для появления существ, которые могли бы жить за счет данного запаса (хемогетеротрофов). То, что в результате жизнедеятельности последней группы организмов получаются простые минеральные вещества (в первую очередь углекислый газ), использующиеся фотоавтотрофами в качестве строительных блоков, скорее счастливая случайность. Однако именно эта случайность обеспечила замыкание цикла миграции химических элементов.

Современные круговороты тех или иных элементов, протекающие с активным участием организмов, родилась не на пустом месте. Круговорот вещества существовал на Земле и до возникновения жизни, и определялся он исключительно физико-химическими процессами. Живые же вещества вне зависимости от того, как и когда они появились, должны были встраиваться в уже существующий круговорот. При этом движение химических элементов становилось более интенсивным и сложным. Правда, иногда организмы, призванные разлагать органическое вещество до простых компонентов, не могли с этим справиться по каким-либо причинам (например, было слишком холодно для обмена вещества). В таком случае часть вещества надолго выпадала из круговорота. Уголь, нефть и газ – продукты подобных сбоев.

3.1. Круговорот углекислого газа

Углекислый газ входит в состав всех органических веществ, а поэтому его круговорот наиболее распространен в природе (рис. ). Он осуществляется при помощи трех групп организмов: продуцентов, консументов, редуцентов. Органическое вещество синтезируется зелеными растениями в процессе фотосинтеза из углекислого газа атмосферы, содержание которого равно лишь 0,03-0,04%. Если бы углекислый газ пополнялся за счет поступления с Земли, то его запасы исчерпались бы за 4-35 лет. В ближайшие 50-60 лет благодаря увеличению сгорания горючих веществ содержание углекислого газа в атмосфере удвоится. Такие быстрые изменения содержания углекислого газа в атмосфере, вследствие которого происходит так называемый парниковый эффект (нагревание атмосферы инфракрасными лучами, благодаря содержанию в ней СО2), может привести к перегреву географической оболочки. Часть СО2 появляется при извержении вулканов и поступает из обогащенных или водных источников. Главный потребитель СО2 – фотосинтетический аппарат растений (рис. ).

Следует напомнить, что проявление фотосинтеза, которое является главным компонентом движения вещества и энергии в биосфере, стало известно только во второй половине 18 века. В 1772-1782 гг. Д.Пристли, Я. Ингенхауз и Ж. Сеисбье, дополняя друг друга, описали процесс воздушного углеродного поглощения, или фотосинтеза. Через столетие К.А.Тимирязев (1843-1920) раскрыл энергетическую закономерность фотосинтеза как процесса использования света для образования органического вещества в растениях. Механизм фотосинтеза был раскрыт американским биохимиком Кальвином, за что ему была присвоена Нобелевская премия. Сегодня под фотосинтезом понимают превращение зелеными растениями и фотосинтезирующими организмами лучистой энергии Солнца. Процесс фотосинтеза происходит при участии поглощающих свет пигментов (кислород и др.).

Попадая в клетку зеленого листа углекислый газ присоединяется к акцептору, с которым продолжает дальнейшие движения и превращения. Благодаря ферменту альдолязы образуется простой сахар – глюкоза, а из него – сахароза и крахмал. Часть синтезированного вещества в этом процессе переходит снова в акцептор – так образуется саморегулированный цикличный процесс. Далее с участием других ферментов сахара превращаются в белки, жиры и другие органические вещества, необходимые для жизни растений.

За год растения суши и океана усваивают почти 5-1010 т углерода, разлагают 1,3-1011 т воды, выделяют 1,2-1011 т молекулярного кислорода и запасают 4-1017 ккал энергии продуктов фотосинтеза, что в 100 раз превышает производство энергии всеми электростанциями мира. Годовой круговорот массы СО2 на суше определяется как массой складывающих его звеньев биосферы, так и количеством, которое захватывает каждое звено (т/год):

Суммарный захват фотосинтезом 60-109; возвращение от дыхания 48-109; поступления в гумосферу и консервация в многогодовых фитоценозах                                                                                                                10-109; захоронение в осадочной толще литосферы, включая реакцию СО2 1-109;  поступления от сгорания топлива 9-109

В гидросфере круговорот СО2 значительно сложнее, чем на суше. Решительную роль тут играет Мировой океан, который аккумулирует вынесенный реками с суши углерод в форме карбонатных и органических соединений. Возвращение углерода с океана или суши происходит с большим дефицитом, главным образом, воздушными потоками в виде СО2. Наличие углекислого газа в гидросфере зависит от поступления кислорода в верхние слои как из атмосферы, так и из нижних слоев воды. В общем выражении годовой круговорот массы углерода в Мировом океане почти вдвое меньше, чем на суше:

Суммарный захват в процессе фотосинтеза 30-109;  возврат в водную среду от дыхания и распада органического вещества 26-109; выпадение в донный осадок 1,5-109; поступление из атмосферы от сгорания топлива 1-109; то же с речным стоком 0,6-109; переход в растворе органического соединения                                        10,9-109.

Много углерода изымается с биологического круговорота вещества и попадает в океан в виде углекислых солей. Эти соли, особенно САСО3, тратятся на построение панцирей животных, очень много их и в морской воде. Если в атмосфере возрастает содержание СО2, часть его растворяется в воде, вступает в реакцию с карбонатом кальция, образуя растворенный в воде бикарбонат кальция. И, наоборот, при снижении содержания углекислого газа в атмосфере бикарбонаты, которые всегда содержаться в морской воде, превращаются в карбонаты кальция, которые выпадают с раствора, используются организмами для построения скелетов или панцирей, оседают на морское дно. Реакция имеет такой вид: Са(НСО3)2=СаСО3+Н2О+СО2.

Суммарное количество углекислого газа на планете составляет не меньше 2,3-1012 т, тогда как содержание его в Мировом океане оценивает в 1,3-1012 т. В литосфере в связанном состоянии находится 2-1017 т углекислого газа. В живом веществе биосферы содержится около 1,5-1017 т (почти столько, сколько во всей атмосфере). Углекислый газ атмосферы и гидросферы обменивается и обрабатывается живыми организмами за 300 лет (рис.)