Лекция 23.11.11 Биогенез и техногенная миграция
Общий биогеохимический круговорот элементов включает биогеохимические циклы отдельных химических элементов. Наиболее важное значение в функционировании биосферы в целом и отдельных геосистем более низкого уровня играют круговороты нескольких химических элементов, самых необходимых для живых организмов в связи с их ролью в составе живого вещества и физиологических процессах. К числу таких наиболее необходимых химических элементов относятся углерод, кислород, азот, сера, фосфор, калий. кальций, железо.
Способы синтеза живой материи
Фотосинтез и минерализация. Растения, имеющие в качестве катализатора хлорофилл, способные с помощью реакции фотосинтеза генерировать исходные для всей остальной биосферы растительные углеводы, называются автотрофами. При фотосинтезе в качестве побочного продукта выделяется кислород, который поступает в атмосферу Для этого растениям необходимы углекислота, которую они берут из атмосферы, вода и минеральные вещества, которые они берут из почвы и еще – фотоны света, которые им дает солнце. Остальное дело техники. Углеводы, передвигаясь от листьев к стеблям и далее к корневой системе, превращаются затем в еще более сложные органические вещества. При этом азот и сера входят в состав белков, а фосфор, например, в состав нуклепротеидов. Так происходит геохимическая аккумуляция солнечной энергии в тканях растений и, которая потом переходит к травоядным животным, а далее к хищникам. Кроме этого происходит и биогенная аккумуляция химических элементов, которые с помощью весьма прочных ковалентных связей в органических молекулах запечатываются в них на срок жизни организма. После смерти животного с помощью микроорганизмов происходит обратный процесс – превращение сложных органических молекул в простые, происходит минерализация трупов. Образуются углекислота, аммиак, метан, вода, органические кислоты, гумус, гумины, которые поступают в почву и атмосферу - круг замыкается. Биотехнологический цикл почти замкнут, почти, потому что местами образуются некоторые избыточные вещества. Например, в болотах при недостатке кислорода, происходит накопление полуразложившихся фрагментов растительности, которые очень медленно превращаются сначала в торф и позже углефицируются. Избыток кальция, магния дает начало карбонатным породам: известнякам, доломитам, мергелям, избыток кремния при отмирании диатомовых водорослей – силицитам, железа и марганца, - осадочным месторождениям.
Хемосинтез
В 1890 году С.Н. Виноградский открыл бактерии, способные из аммиака углекислоты и воды синтезировать органические вещества. На первом этапе с помощью кислорода идет окисление аммиака до азаотистой и затем азотной кислоты с выделением энергии, которая микроорганизмами и используется для синтеза органических молекул. Этот процесс и получил название хемосинтеза. Однако по сравнению с фотосинтезом роль этого процесса в биосфере незначительна. С помощью фотосинтеза и хемосинтеза за миллиарды лет своего развития растения превратили атмосферу из первично аммиачно-углекислотной в кислородно-азотную.
Количественная оценка геохимической роли живого вещества
По сравнению с литосферой масса живого вещества ничтожна, недаром используется такая метафора как пленка жизни. Но эта пленка отличается чрезвычайной активностью, которую можно оценить по скорости экспансии – стремлении захватить жизненное пространство. Например, для холерного эмбриона она составляет 330м/сек. Зоомасса составляет всего 2 и редко 10% от фитомассы Беспозвоночных в 10 раз больше чем позвоночных, а масса хищников в сотни и тысячи раз меньше фитофагов (травоядных). Понятно, что наоборот не могло быть никак, чтобы не разорвать трофические цепи, соединяющие всю биосферу в единое целое. Регулятором соотношения масс являются пищевые резервы, благодаря которым в биосфере происходит саморегуляция численности популяций биологических видов. По данным Н.И. Базилевич общее количество биомассы на Земле рано 2,4 *1012 т. Распределена она крайне неравномерно. Больше всего ее в лесах, особенно в тропических и меньше всего конечно в пустынях. Фитомассы на 1 га площади в океане не больше чем в пустыне, а в целом 1,7 108 , что т не более 0,007% от фитомассы всей планет, микро- и зоомассы на порядок больше фитомассы -3,3109т . В целом живого вещества в океане меньше, чем на суше но вот годовая биопродуктивность океана в 3000 раз выше за счет более быстрого круговорота. Суммарная продукция биосферы за все время ее существования превысила массу всей земной коры.