Образование живого вещества в ландшафте

Фотосинтез и хемосинтез. Образование живого вещества в ландшафте связано в основном с фотосинтезом, в процессе кото­рого растения, поглощая из окружающей среды углекислый газ и воду, создают органические соединения, обладающие большим запасом внутренней энергии.

Фотосинтез представляет собой окислительно-восстанови­тельную реакцию, осуществляющуюся в зеленом листе при учас­тии хлорофилла за счет энергии солнечных лучей. Химическая сторона первого этапа этого процесса изображается следующим уравнением:

свет

6 С02 + 6Н2 0+2818 кдж » С_в Н₁₂ О_в + 60₂.

хлорофилл

Иначе говоря, взаимодействие углекислого газа с водой приводит к синтезу в зеленом листе растворимого сахара (С₆Н₁₂О₆) и вы­делению в окружающую среду кислорода. Для осуществления этого процесса затрачивается 2818,7 кдж энергии, источником которой является Солнце.

Кислород, выделяющийся при фотосинтезе, получается за счет разложения воды. Таким образом, один из первых актов фотосинтеза — разложение воды, водород которой используется на восстановление углекислого газа и участвует в образовании органических соединений, а кислород выделяется из тела растения.

Конкретный ход фотосинтеза сложен и во многом еще не изучен, в связи с чем приведенное уравнение должно рассматри­ваться лишь как грубая схема. Исследования с помощью «мече­ных атомов» позволили установить, что прямыми продуктами фотосинтеза являются не только углеводы, как предполагали раньше, но и белки. Было также установлено, что углекислота, необходимая для фотосинтеза, поступает не только из атмосфе­ры, но частично из почвенного воздуха, откуда она поглощается корнями и доставляется через стебли в листья.

Возникающие в листе в результате фотосинтеза углеводы и другие органические вещества передвигаются в стебли и корни. В дальнейшем в теле растения они претерпевают различные превращения, в ходе которых создается все разнообразие органических веществ, в том числе прочие углеводы, белки, жиры, алкалоиды, витамины и др. Эти вещества обладают большим запасом внутренней энергии, которая может быть освобождена в процессе последующего окисления (горения или других реак­ций). Таким образом, органические соединения живых и мертвых организмов, содержащиеся в ландшафте,— носители энергии, способные совершать большую химическую работу (выветрива­ние и др.).

Однако растения состоят не только из углерода, водорода и кислорода, но также из азота, фосфора, калия, кальция и мно­гих других химических элементов, которые они получают уже не из воздуха, а из почвы или из воды (для водных растений). В окружающей среде (почве, водоеме) большинство элементов присутствует преимущественно в виде сравнительно простых минеральных соединений. Поглощаясь растениями, эти химиче­ские элементы входят в состав сложных, богатых энергией орга­нических соединений (например, азот и сера содержатся в бел­ках, фосфор — в нуклеопротеидах), слагающих тела организмов или их остатки.

Описанные процессы называются биогенной аккумуляцией минеральных соединений. Биогенная аккумуляция, извлекая элементы из воды и воздуха, переводит их в менее подвижное состояние, понижает их миграционную способность в ландшафте.

Помимо фотосинтеза, имеются и другие процессы, в резуль­тате которых организмы из минеральных элементов окружающей среды создают органическое вещество своего тела. Энергию для этих процессов организмы получают за счет различных химиче­ских реакций, в связи с чем данные процессы получили название хемосинтеза. Хемосинтез был открыт у некоторых групп микро­организмов в 1890 г. крупным русским микробиологом С. Н. Ви-ноградским (1856—1953). Этот ученый обнаружил группу мик­роорганизмов, которые способ­ны окислять аммиак до солей азотистой и затем азотной кислоты по реакции:

2 NН₃ + 3 0₂ = 2 НN0₂ + 2 Н₂0 + 660,7 кдж

2 НN0₂ + 0₂ = 2 HN0₃ + 180,6 кдж

Выделяющаяся при окислении энергия используется микро­организмами для синтеза органических веществ из углекислого газа, воды, минеральных веществ. Здесь в отличие от фотосинте­за прямая солнечная энергия не используется. Были обнаруже­ны микроорганизмы, окисляющие серу и сероводород, двухва­лентное железо, марганец, водород, метан, уголь.

Роль хемосинтеза в создании общей массы организмов очень невелика, в современную геологическую эпоху ведущую роль в создании живого вещества играют фотосинтетические реакции.

Однако хемосинтез имеет большое значение для круговорота не­которых элементов в природе (например, азота, серы).

Все остальные организмы — животные, подавляющая часть микроорганизмов и бесхлорофильные растения (например, гри­бы) — неспособны создавать органические вещества из мине­ральных веществ окружающей среды. Органические соединения, необходимые для построения тела и как источник энергии, они получают от растений.

Накопление живого вещества в •ландшафтах протекает по-разному, в связи с чем общая масса живого вещества является важной геохимической характеристикой ландшафта. Эта вели­чина колеблется от десятков тысяч тонн на 1 га для влажных тропиков до 0,Оn т на 1 га такыров и скал, покрытых лишайни­ками. Не менее важным показателем является и ежегодная про­дукция живого вещества, которая для одних ландшафтов близка к общей массе (например, для степей), а для других — во много раз меньше (например, для лесов).

Средний химический состав живого вещества. Живые орга­низмы в основном состоят из элементов, образующих газообраз­ные и растворимые соединения. Поэтому нет прямой пропорцио­нальности между составом живого вещества и земной коры в целом (кларками). Главную массу живого вещества (более 98%) составляют воздушные мигранты — О, С, Н и N. Из водных миг­рантов преобладают наиболее подвижные элементы: кальция больше, чем алюминия и железа, калия больше, чем кремния и т. д. (в земной коре наоборот). Ниже приводится средний элементарный состав живого вещества по данным А. П. Виноградо­ва (1954).

Макроэлементы (п • 10¹ — 10^-2) А, Воздушные мигранты (98,8%): О —70; С—18; Н —10,5; N — 3·10^-1 Б. Водные мигранты (1,21%): Са — 5 • 10^-1 Мg — 4 •-10^-2 Na — 2 • 10^-2

К — 3 •10^-1 Р — 7 •-10^-2 С1 — 2 • 10^-2

Si— 2 • 10^-1 S — 5 •-10^-2 Fе — 1 • 10^-2

Микроэлементы — водные мигранты (п • 10^-3 — п•

10^-5):

А1, Ва, Sr, Mn, B, TR*, Ti, F, Zn, Rb, Cu, V, Cr, Br, Ge, Ni, Pb, Sn, As, Co, Li, Mo, Y, Cs

• ТR—редкие земли.

Ультрамикроэлементы ( < 10^-5): Se - <10^-6 U - < 10^-6