Биогенная миграция

Значение биогенной миграции элементов в биосфере трудно переоценить. С понятием «живое вещество Земли», которое было обосновано В. И. Вернадским, связано создание учения о биосфере. Науку о влиянии жизни на геохимические процессы В. И. Вернадский назвал биогеохимией. В основе биогеохимии лежит представление о том, что геологический эффект деятельности отдельного организма бесконечно мал, но так как число организмов бесконечно велико и действуют они в течение бесконечно большого промежутка времени (соизмеримого с возрастом биосферы), в итоге получается грандиозная величина.

Биогенная миграция химических элементов определяется двумя противоположными процессами: образованием живого вещества из элементов окружающей среды и разложением органических веществ. В совокупности эти процессы образуют единый биологический круговорот атомов — БИК.

Образование живого вещества. Ведущая роль в создании биомассы Земли принадлежит фотосинтезу. Исходные вещества фотосинтеза — СО2 и Н2О. Это не окислители, не восстановители — нейтральные вещества. Фотосинтез — это химическая комбинация атомов С, Н и О, которые заряжаются солнечной энергией, поднимаются на более высокий энергетический уровень и становятся «геохимическими аккумуляторами». Кроме фотосинтеза, в меньших масштабах происходит хемосинтез. При хемосинтезе микроорганизмы используют энергию, выделяющуюся при окислении, и не нуждаются в солнечном свете. Они также относятся к автотрофам.

Образование живого вещества сопровождается аккумуляцией энергии, ростом информации, появлением более сложного ее вида — биологической информации, ростом упорядоченности, сложности и организации природы.

В живом веществе абсолютно преобладает фитомасса — 2,4х1012т сухого вещества. Подавляющая часть фитомассы сосредоточена на материках, но она распределена крайне неравномерно. В лесных ландшафтах ее больше, чем на открытых местообитаниях. 82 % фитомассы сосредоточено в лесах. Фитомасса океана составляет 0,007 % от всей фитомассы Земли и по количеству живого вещества на 1 га океан близок к пустыням, но здесь, как и на суше, местами наблюдаются сгущения жизни (коралловые постройки, акватория Саргассова моря, зоны апвеллинга и др.).

Важный геохимический показатель — ежегодная продукция живого вещества (П), которая для Земли в целом составляет 2,3 х10п т. В океане живого вещества меньше, но оно быстрее, чем на суше, образуется и разлагается. Поэтому суммарное количество образовавшегося за год живого вещества в океане ненамного меньше, чем на суше (продукция фитомассы на 1 га на суше —11,5 т, а в океане — 1,7 т). В океане годичная продукция живого вещества в 3000 раз больше фитомассы (Б), а на суше П < Б. А. И. Перельман ввел коэффициент К = Ign : IgB. Оказалось, что для каждого зонального ландшафта Земли величина К является постоянной.

Кларки живого вещества уменьшаются с ростом атомной массы химических элементов. Живое вещество состоит в основном из четырех элементов: О (70 %), С (18 %), Н (10,5 %), N (0,3 %). В сумме они составляют 98,8 % массы биосферы. Таким образом, организмы являются кислородными существами. Живое вещество богато водой. Главной особенностью истории живого вещества В. И. Вернадский считал его образование из газов и превращение после смерти снова в газы. Элементы с низкой миграционной активностью в живом веществе присутствуют в очень малых количествах.

Кларки концентрации элементов в живом веществе А. И. Перельман назвал биофильностью. Максимальная биофильность у углерода (780), затем в порядке уменьшения биофильности химические элементы выстраиваются в следующий ряд: азот (160), водород (70), кислород (1,5), хлор (1,1). У остальных элементов биофильность меньше 1. Наименее биофильны железо, алюминий и титан.

Существует разделение кларков живого (сырого) вещества и кларков минеральной части живого вещества («золы»). В первом случае используют понятие «биофильность», а во втором случае — понятие «коэффициент биологического поглощения», показывающий, во сколько раз содержание элемента в золе больше, чем в литосфере (горной породе или почве) в целом. По коэффициентам биологического поглощения были построены ряды биологического поглощения элементов живым веществом Земли. Оказалось, что в организмах энергично акапливаются фосфор, сера и галогены (хлор, бром, иод), сильно накапливаются основания (кальций, натрий, калий, магний), а также цинк, стронций, бор и селен, средняя степень накопления у марганца и ряда тяжелых металлов; слабая и очень слабая — у кремния, алюминия, железа, некоторых тяжелых металлов и урана.

Существует биогеохимическая специализация отдельных групп растений на накоплении химических элементов. Например, зола злаков богата кремнеземом, бобовых — кальцием, плаунов и чая — алюминием, мхов — железом, водорослей — иодом, солянок — хлором и натрием.

Химический состав органов растений неодинаков. Например, металлы максимально концентрируются в листьях и тонких ветвях, в меньших количествах — в корнях и коре, минимально — в древесине.

Обнаружено, что химический состав организмов подвержен сезонной динамике. Например, содержание кобальта, никеля и меди от весны к осени в листьях деревьев увеличивается в два-три раза.

Элементный состав одного вида растений меняется в разных ландшафтах. Часто прослеживается прямая зависимость между содержанием элементов в почвах или породах и их содержанием в растениях.

Однако накопление элементов не бесконечно, так как существует «физиологический барьер поглощения». Для разных элементов он различен.

Часто на химической основе происходит естественный отбор растений, новые признаки которых закрепляются на генном уровне. Таковы «цинковая», «литиевая», «селеновая» и другие флоры, сформированные вблизи рудных месторождений.

В фитонцидах растений содержатся разнообразные химические элементы. Ими растения предохраняют себя от болезней, а также позволяют произрастать рядом только благоприятным видам растений.

Животные также выступают аккумуляторами ряда химических элементов: в известковых скелетах сухопутных и морских животных накапливается кальций, в раках, молллюсках и пауках — медь и т. д.

Разложение органических веществ. С той или иной скоростью разлагаются все органические вещества — даже такие устойчивые, как смолы, воск, хитин. Основную роль в разложении остатков растений и животных играют микроорганизмы. Они превращают высокомолекулярные органические соединения в более простые, бедные энергией вещества — вплоть до углекислого газа и воды. При разложении, несмотря на образование новых колоний микроорганизмов, общее количество органических веществ сильно уменьшается, так как часть их минерализуется полностью. Разложение происходит с различной интенсивностью в разных типах ландшафтов. Оно минимально в тундровых ландшафтах (подстилка полностью минерализуется за 20—50 лет) и максимально в экваториальных гилеях (период перегнивания подстилки составляет от нескольких месяцев до года).

Совокупность процессов разложения органических веществ, в результате которых из сложных, богатых энергией образуются простые и обедненные запасами энергии вещества, называется минерализацией органических веществ. В результате минерализации в ландшафт непрерывно поступает свободная энергия, которая затрачивается на окисление веществ, процессы гидролиза, гидратации и др. Свободная энергия реализуется в непрерывном почвообразовании и выветривании пород.

Ландшафт — это стационарная система, устойчивость которой связана с тем, что она непрерывно получает свободную энергию из среды в количестве, компенсирующем ее снижение в системе. Биогенный ландшафт — это саморегулирующаяся неравновесная, но стационарная (устойчивая) система. В ландшафте именно в почвах максимально сконцентрирована химически работоспособная энергия. Поэтому почвы — это особенно неравновесные, чрезвычайно динамичные системы. Новые горные породы и материал континентальных и морских отложений готовятся путем своеобразного «просеивания» сквозь почвы посредством геологической работы живого вещества. Предположительно большая часть вещества земной коры «прошла» сквозь древние почвы биосферы.

Биологический круговорот химических элементов. Как уже было сказано, совокупность процессов образования и разложения органического вещества образует биологический круговорот (БИК). Часть органических веществ надолго выходит из БИК, накапливаясь в осадочных породах и почвах. БИК любого химического элемента в ландшафте различается по масштабу и продолжительности. В почвенных горизонтах минеральные соединения поглощаются микроорганизмами и обратно возвращаются в почвенный раствор после их отмирания; в почвенных профилях землерои из глубоких горизонтов заносят вещество в вышележащие горизонты, но это вещество с нисходящими токами вод снова в измененном виде может оказаться в нижней части почвенного профиля. Еще большие по масштабу биологические круговороты происходят в системах «почва — ярус мхов», «почва — ярус трав», «грунтовые воды — кора выветривания — почва — ярус деревьев». После каждого цикла БИК ландшафт приобретает новое качество, так как складывается новое равновесие в соотношении биогенных химических элементов: часть вещества надолго изымается из БИК в виде труднорастворимых соединений или при поступлении в реки. Поэтому круговороты — это одна из форм обратной связи.

Закон биологического круговорота химических элементов, предложенный А. И. Перельманом, гласит: поглощение химических элементов организмами сопровождается снижением беспорядка в системе, химические элементы заряжаются энергией и становятся геохимическими аккумуляторами. При разложении органических веществ энергия выделяется, геохимические аккумуляторы разряжаются. Носителями геохимической энергии становятся природные воды, приобретающие агрессивность и совершающие в ландшафте большую химическую работу в направлении создания большего беспорядка. Последовательные циклы БИК выводят ландшафты на качественно новые информационные уровни: происходят развитие и эволюция ландшафтов.

Биосфера. Грандиозная геохимическая роль живого вещества становится ясной, если суммировать количество живого вещества, образовавшегося за всю историю жизни на Земле. Оказывается, за последний миллиард лет сумма ежегодной продукции живых организмов могла в 10 раз превысить массу земной коры. Благодаря чрезвычайной активности этой массы, изменяющей поверхностные оболочки планеты (литосферу, гидросферу и атмосферу), область жизни нашей планеты принято рассматривать как единую систему — биосферу. Ниже биосферы расположены горные и осадочные породы, являющиеся остатками былых биосфер.

Биосфера — это сложная динамическая система с огромным числом случайных факторов и вероятностным характером многих процессов. Подвижное равновесие биосферы обусловлено взаимодействием энергий, поступающих в нее из земных недр (тектонические движения, вулканизм), а также из космоса (солнечная энергия). Единство и целостность биосферы определяется ее главным механизмом — биологическим круговоротом. На Земле одновременно происходят два вида круговоротов: круговорот воды (агент механической работы) и биологический круговорот (агент химической работы).

Биосфера — это гиганский «химический комбинат», на котором из смеси разнообразных веществ путем их промежуточного пребывания в организмах получаются простые и сравнительно чистые соединения, состоящие из двух-трех главных элементов. Продуктами биосферы являются толщи поваренной соли, известняки, латериты и даже, как считают некоторые ученые, гранитный слой литосферы на материках.

По процессам разложения органических веществ биосфера едина, а по процессам их образования разделяется на две части. В верхнюю часть проникает солнечный свет, здесь возможен фотосинтез. Образование органических веществ преобладает над их разрушением. В нижней части (почвенные, грунтовые воды и глубины океана) органическое вещество не образуется и его запасы во времени уменьшаются.

Биосфера имеет свой центр в виде лесных ландшафтов суши (на долю лесов приходится большая часть общих запасов биомассы Земли) и, вероятно, в виде верхнего слоя океанических вод, где протекают процессы фотосинтеза.

На биосферном уровне выделяют три аспекта геохимической деятельности организмов:

  • — организмы как непосредственные концентраторы элементов, источники образования органогенных пород;
  • — живое вещество как фактор образования физико-химических условий миграции химических элементов в конкретной геохимической системе;
  • — живое вещество как интегральный показатель грандиозности преобразования земной коры. За всю геохимическую историю литосферы живое вещество сформировало кислородную атмосферу, известняки, граниты и другие горные породы.

Три указанных аспекта лежат в основе закона Вернадского.

Вопросы и задания для повторения и закрепления материала

  • 1. На какие составляющие производят подразделение механической и физико-химической миграции веществ? Кратко охарактеризуйте каждую из них.
  • 2. Расскажите, в каких частях материковой суши наиболее интенсивно происходит механическая миграция химических элементов.
  • 3. Какие геохимические классы вод можно встретить в Амазонии, на Тибете, на территории Восточной Европы и Западной Сибири?
  • 4. Чем отличается биофильность от коэффициента биологического поглощения? Какое значение они имеют при раскрытии понятия «биологический круговорот элементов»?
  • 5. В чем сходство и различие между законом Вернадского и законом биологического круговорота химических элементов?
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >