ГЕОХИМИЧЕСКАЯ РАБОТА ЖИВОГО ВЕЩЕСТВА

Более 99% энергии, поступающей на поверхность Земли, составляет излучение Солнца. Эта энергия 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 перераспределяется, но и связывается, запасается на очень длительное время. Этот процесс — создание органического вещества в ходе фотосинтеза. Сжигая в топках каменный уголь, мы освобождаем и используем солнечную энергию, запасенную растительностью сотни миллионов лет назад

Основная планетарная функция живого вещества на 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 в 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 источника энергии органические вещества. К ним относятся денитрифицирующие и сульфагредуцирующие бактерии, восстанавливающее 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 нитрофицирующие микроорганизмы, железные и марганцевые бактерии, концентрирующие эти металлы в своих клетках.

Геологические результаты деятельности этих организмов проявляются 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 выветривает 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. Часто 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 О₂, выделяемых зелеными растениями, пропорционально количеству связываемых молекул СО₂. Выделенный кислород вновь используется на окисление углерода при минерализации органического вещества и дыхании организмов, но так как часть органических веществ захоранивается в осадочных породах, то эквивалентное количество О₂ 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 газа поступает в атмосферу из абиогенного источника — непосредственно из мантии Земли при вулканических извержениях. Эта часть лишь 0,01% от СО₂, выделенного живыми организмами. Расходуется углекислый газ в процессах органического синтеза, а также на выветривание горных пород и образование карбонатов. Содержание СО₂ 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 захораниваясь 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 быть 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 и десятки лет, а в водных экосистемах — несколько дней или недель.

Биологический круговорот суши и биологический круговорот гидросферы объединяют круговороты отдельных ландшафтов посредством 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 и 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 автотрофной 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 мира.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: