Геохимическая paбоta живого вещества

Более 99% энергии, поступающей на поверхность Земли, составляет излучение Солнца. Эта анергия растрачивается в громадном большинстве физических и химических процессов в гидросфере, атмосфере и литосфере: перемешивании воздушных и водных масс, выветривании, испарении, перераспределении веществ, растворении минералов, поглощении и выделении газов и т. п,

На Земле существует один-единственный процесс, при котором' энергия солнечного излучения не только тратится и пере распределяется, но и связывается, запасается на очень длительное время. Этот процесс — создание органического вещества и ходе фотосинтеза. Сжигая в топках каменный уголь, мы освобождаем и используем солнечную энергию, запасенную растительностью сотни миллионов лег назад,

Основная планетарная функция живого вещества па Земле заключается, таким образом, в связывании И запасании солнечной энергии, которая затем идет на поддержание множества других геохимических процессов в биосфере.

За время существования жизни, на Земле живое вещество превратило в химическую работу огромное количество солнечной энергии. Значительная часть ее в ходе геологической истории накопилась в связанном виде. Для современной биосферы характерны залежи угля и других органических веществ, образовавшихся н палеозое, мезозое и кайнозое.

В биосфере в результате жизнедеятельности микроорганизмов в больших масштабах осуществляются такие химические процессы, как окисление и восстановление элементов с переменной валентностью (азот,сера, железо, марганец и др.). Микроорганизмы-восстановители гетеротрофны, используют в качестве источник энергии, органические вещества. К ним относятся денитрифицирующие и сульфатредуцирующие бактерии, восстанавливающие' из окисленных форм азот до элементарного, состояния и серу до сероводорода. Микроорганизмы-окислители, могут быть как автотрофами, так и гетеротрофами. Это бактерии, окисляющие сероводород и серу, нитри- и нитрифицирующие микроорганизмы, железные и марганцевые бактерии, концентрирующие эти металлы в своих клетках..

Геологические результаты деятельности этих организмов про являются в образовании осадочных месторождений серы, образовании в анаэробных условиях залежей сульфидов металлов, а в аэробных — окисление их и перевод в растворимое состояние, возникновение железных и железомарганцевых руд.

За счет жизнедеятельности огромного числа гетеротрофов, в основном грибов, животных и микроорганизмов, происходит ги­гантская, в масштабах всей Земли, работа по разложению орга­нических остатков. При деструкции органической массы протекают два параллельных процесса. Разложение, органических со­единений в конечном счете до углекислого газа, аммиака и воды, а в анаэробных условиях еще и до водорода и углеводородов пред­ставляет процесс минерализации. Продукты минерализации вновь используются автотрофами. Кроме того, в почве часть освобож­дающихся веществ ароматической природы под влиянием жиз­недеятельности микроорганизмов вновь конденсируется с обра­зованием сложного комплекса соединений — почвенного гумуса (различные гумусовые кислоты и их соли) со значительным за­пасом энергии. Этот процесс стимулируется деятельностью многих почвенных групп гетеротрофов. Гумус является основой почвен­ного плодородия. Его разложение протекает в дальнейшем очень медленно, под влиянием определенной, автохтонной микрофлоры почв, чем достигается постоянство в обеспечении растений элементами минерального питания.

Природные "воды, обогащенные этими продуктами минерализации, становятся химически высокоактивными, и выветривают горные породы.

Процесс разложения органических веществ, при котором осво­бождается химическая энергия, характерен для всех частей биосферы, где есть живые организмы, тогда как фотосинтез протека­ет только на поверхности суши и в верхнем слое водоемов. Часть органического вещества, попадающего в условия, неблагоприят­ные для деятельности деструкторов, захоранивается, и консерви­руется в составе осадочных пород, поэтому синтез органических веществ в масштабе всей биосферы не полностью уравновешива­ется их разложением.

Эта некоторая несбалансированность процессов синтеза и раз­ложения органических веществ в биосфере определила кислород­ный режим современной воздушной оболочки Земли-.

Кислород атмосферы накоплен за счет фотосинтеза. Единст­венный источник абиогенного поступления свободного кислорода — фотодиссоциация молекул воды в верхних слоях атмосферы — очень незначителен. Количество молекул 0_2i выделяемых зелены­ми растениями, пропорционально количеству связываемых моле­кул С0₂. Выделенный кислород вновь используется на окисление углерода при минерализации органического вещества и дыханий организмов, но так как часть органических веществ захоранива­ется в осадочных породах, то эквивалентное количество 0₂ оста­ется в атмосфере. Значительная часть его идет на окисление ми­неральных веществ. С увеличением концентрации свободного кис­лорода в воздухе расход его на окисление минералов возрастает, с уменьшением — снижается. Накопление кислорода в атмосфере началось еще с докембрия, и к началу палеозоя содержание его, по некоторым данным, не превышало 10% от современного. В дальнейшем оно подвергалось довольно значительным колебаниям, но в целом с тех пор неуклонно растет, хотя в истории Земли были периоды, когда концентрация О₂, по-видимому, превышала совре­менную. Весь наличный запас свободного кислорода в атмосфере оценивается в 1,6><10¹⁵ г, зеленые растения могут воссоздать его за 10 тыс. лет. —

В верхних слоях тропосферы под влиянием ультрафиолетового излучения из кислорода образуется озон. Существование озоно­вого экрана также результат деятельности живого вещества, ко­торое, по выражению В. И. Вернадского, «как бы само создает себе область жизни».

Углекислый газ поступает в атмосферу за счет дыхания всех организмов. Второй, менее мощный его источник—выделение но трещинам земной коры из осадочных пород за, счет химических процессов, совершающихся под действием высоких температур. Он также имеет биогенное происхождение. Часть углекислого га за поступает в атмосферу из абиогенного источника — непосред­ственно из мантии Земли при вулканических извержениях. Эта часть лишь 0,0.1% от С0₂, выделенного живыми организмами. Расходуется углекислый газ в процессах органического синтеза, а также на выветривание горных пород и образование карбона­тов. Содержание С0₂ в атмосфере в ранний период развития жиз­ни было более высоким. В течение фанерозоя оно изменялось в до­статочно широком диапазоне. В девоне и начале карбона, а также в перми, по новейшим подсчетам, оно превышало современный уровень в 6—10 раз, а начиная с середины мела неуклонно.падает.

Азот атмосферы химически инертен, но и он участвует в про­цессах синтеза и распада органического вещества. Азот усваивают из атмосферы многие прокариотические организмы — азотфиксаторы, после их смерти он переходит в доступные растениям соеди­нения и включается в цепи питания и разложения.

К газам органического происхождения относятся также серо­водород, метан и множество других летучих соединений, созда­ваемых живым веществом. За один день, например, 1 га можже­велового леса может выделить в атмосферу до, 30 кг летучих веществ — фитонцидов.

Продуцируя и потребляя газообразные, вещества, организмы биосферы поддерживают постоянство.состава воздушной оболоч­ки Земли.

Живое вещество перераспределяет атомы в биосфере. Многие организмы обладают способностью накапливать, концентрировать в себе определенные элементы, несмотря на часто ничтожное со­держание их в окружающей среде. Например, литотамниевые во­доросли накапливают в своих телах до 10% магния, в раковинах брахиопод содержится около 20% фосфора, в серных бактериях — до 10% серы. Многие организмы концентрируют кальций, крем­ний, натрий, алюминий, йод и т. д. Отмирая и захрраниваясь в массе, они образуют скопления этих веществ. Возникают залежи таких соединений, как известняки, бокситы, фосфориты, осадочная железная руда и др.. Многие из них человек использует как полезные ископаемые.

Живое вещество активно участвует также в грандиозных про­цессах перемещения, миграции атомов в биосфере через систему больших и малых круговоротов.

СТАБИЛЬНОСТЬ БИОСФЕРЫ

Наряду с биологическим круговоротом в биосфере протекает и круговорот воды, источником энергии для которого служит излу­чение Солнца. В этом круговороте активно участвуют и живые организмы. Особенно велика роль транспирирующих растений, на создание единицы продукции которых требуется в сотни раз больше транспирируемой влаги.

В пределах ландшафтов круговорот воды заключается в испа­рении ее с поверхности почвы, водоемов и растений, концентрировании облаков и выпадении осадков. В пределах всей планеты этот круговорот выражается в водообмене океаны — материки. Во­да, испаряемая с поверхности океана, переносится ветрами на ма­терики, выпадает над ними и с речным и подземным стоком вновь возвращается в океан. Круговорот воды — главный агент механи­ческой работы в биосфере, тогда как биологический круговорот обусловлен в основном химическими процессами, которые сопро­вождаются превращением химической энергии. Та работа, которая совершается на Земле водами,— выветривание, растворение и т. п.— производится или при участии живых организмов, или за счет продуктов их жизнедеятельности. Перемещение воды осу­ществляет в биосфере процессы эрозии, транспорта, перераспре­деления, осаждения и. накопления механических и химических осадков на суше и в океане.

Солнечная энергия вызывает также планетарные перемеще­ния воздушных масс в результате их неравномерного нагревания. Возникают грандиозные процессы атмосферной циркуляции, ко­торые носят ритмический, сезонный характер.

Все эти планетарные процессы на Земле тесно переплетены, образуя общий, глобальный круговорот вещества, перераспреде­ляющий энергию, поступающую от Солнца. Он осуществляется че­рез систему более мелких, локальных круговоротов. К этим цик­лам подключаются тектонические процессы, обусловленные вул­канической деятельностью и движением океанических плит в зем­ной коре. В результате на Земле поддерживается большой геоло­гический круговорот веществ.

Любой малый биологический круговорот характеризуется мно­гократным включением атомов в тела живых организмов и выхо­дом их в непосредственно окружающую среду, откуда они вновь могут бить использованы организмами. Скорости этих включений и время удержания атомов в составе биомассы для каждой конк­ретной экосистемы различны. Биологический круговорот поэтому

характеризуется следующими показателями: 1) емкостью биоло­гического круговорота — количеством химических элементов, на­ходящихся одновременно в составе живого вещества в данной экосистеме; 2) скоростью биологического круговорота — количе­ством Живого вещества, образующегося и разлагающегося в еди­ницу времени.

Для различных ландшафтов скорость биологического круго­ворота можно определить, учитывая ежегодный абсолютный при­рост биомассы, ежегодный относительный прирост (в % от био­массы), а также ежегодный абсолютный и относительный опад растительности.

Скорость биологических круговоротов на суше составляет го­ды десятки лет, а в водных экосистемах — несколько дней или недель.

Биологический круговорот суши и биологический круговорот гидросферы объединяют круговороты отдельных ландшафтов по- средством водного стока и атмосферных перемещений. Особенно большую роль циркуляция атмосферы и воды играет в объедине­нии всех материков и океанов в единый круговорот биосферы.

Большой геологический круговорот вовлекает осадочные по­роды в глубь земной коры, надолго выключая содержащиеся в них. элементы из системы биологического круговорота. В ходе геоло­гической истории метаморфизированные осадочные породы, вновь оказавшись на поверхности Земли, постепенно разрушаются дея­тельностью живых организмов, воды и воздуха и снова включаются в биосферный круговорот.

Для каждого элемента характерна своя скорость миграции в малых и больших циклах. Весь кислород атмосферы проходит через живое вещество за 2 тыс., а весь углекислый газ — за 300 лег. Локальные круговороты осуществляются значительно быстрее.

Атмосфера, океан и осадочные породы служат долговремен­ными резервуарами биогенных элементов. Скорости всех циклов отдельных элементов в биосфере теснейшим образом сопряжены между собой.

Биосфера выступает как огромная, чрезвычайно сложная эко­система, работающая в стационарном режиме на основе тонкой регуляции всех составляющих ее частей и процессов. Стабильность биосферы основывается на высоком разнообра­зии живых организмов, отдельные группы которых выполняют раз­личные функции в поддержании общего потока вещества и рас­пределении энергии, на теснейшем переплетении и взаимосвязи биогенных и абиогенных процессов, на согласованности циклов отдельных элементов и уравновешивании емкости отдельных ре­зервуаров. В биосфере действуют сложные системы обратных свя­зей и зависимостей.

Как показывают исследования, по крайней мере последние 600 млн. лет, начиная с кембрия, характер основных круговоро­тов на Земле существенно не менялся. Осуществлялись, фундамен­тальные геохимические процессы, характерные и для современной эпохи: накопление кислорода, связывание инертного азота, осаж­дение кальция, образование кремнистых сланцев, отложение же­лезных и марганцевых руд й сульфидных минералов, накопление фосфора и т. д. Менялись лишь скорости этих процессов. По-види­мому, не менялся существенно и общий поток атомов, вовлекае­мых в живые организмы. Есть основание считать, что масса живо­го вещества оставалась приблизительно постоянной начиная с кар­бона, т. е. биосфера с тех пор поддерживает себя в определенном режиме круговоротов. Стабильное состояние биосферы обуслов­лено в первую очередь деятельностью самого живого вещества, обеспечивающей определенную скорость фиксации солнечной энер­гии и биогенной миграции атомов. Таким образом, жизнь на Зем­ле сама стабилизирует условия своего существования, что дает ей возможность развиваться бесконечно долго.

Однако стабильность биосферы имеет определенные пределы и нарушение ее регуляторных возможностей чревато серьезными последствиями.

Выступая как важнейший агент связывания и перераспределе­ния на поверхности Земли космической энергии, живое вещест­во выполняет тем самым функцию космического значения.

Однако в настоящее время на Земле появилась новая сила, по мощности воздействия на поверхностные оболочки планеты почти не уступающая суммарному действию живых организмов — человечество с его социальными законами развития и мощной тех­никой, позволяющей влиять на вековой ход биосферных процессов. Современное человечество использует не только огромные энерге­тические ресурсы биосферы, но и небиосферные источники энергии (например, атомной), ускоряя геохимические преобразования при­роды. Некоторые процессы, вызванные технической деятельностью человека, направлены противоположно по отношению к естествен­ному ходу их в биосфере (рассеивание металлов руд, углерода и других биогенных элементов, торможение минерализации и гуми­фикации, освобождение законсервированого углерода и его окисле­ние, нарушение крупномасштабных процессов в атмосфере, влия­ющих на климат, и т. п.).

В. И. Вернадский считал возможным говорить даже об авго-трофной роли человечества, понимая под этим возрастающие масштабы искусственного синтеза органических материалов, раз­личных полимеров и других веществ, часто даже не имеющих аналогов в живой природе.

Современная деятельность человека во многом нанесла непред­виденный ущерб окружающей среде, что в конечном итоге угро­жает дальнейшему развитию самого человечества. Эти измене­ния на данном этапе еще не являются непоправимыми. Поэтому одна из основных задач современной экологии — это изучение ре­гуляторных процессов в биосфере, создание научного фундамен­та ее рационального использования. Основные законы функциони­рования биосферы уже вырисовываются, но предстоит еще мно­гое сделать объединенными усилиями экологов всех стран миря.

⇐ Предыдущая15161718192021222324Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: