Биогеохимические функции живого вещества

ПОНЯТИЕ О БИОГЕОХИМИЧЕСКИХ ФУНКЦИЯХ И БИОГЕОХИМИЧЕСКИХ ПРИНЦИПАХ ЖИВОГО ВЕЩЕСТВА

Живое вещество обладает исключительно высокой функциональной активностью, связанной с его способностью к размножению, количественному росту. Это свойство В. И. Вернадский назвал «напором жизни», выделив их в 1928-1931 годах как биогеохимические функции живого вещества. Биогеохимические функции живого вещества распространяются на всю планету, выражаясь в виде геосфер. В планетном масштабе они определяют основные химические проявления жизни и являются основными химическими реакциями живого вещества. По В. И. Вернадскому биогеохимические функции живого вещества в биосфере развиваются в соответствии с 3 биогеохимическими принципами.

1. ^ Биогенная миграция атомов химических элементов в биосфере всегда стремится к максимальному проявлению. Жизнь стремится заполнить в максимальном объеме любое пригодное для нее пространство. Мы можем наблюдать это, например, на свежей насыпи, когда ее осваивают растения. Когда сукцессия доходит до предельного насыщения ценоза, процесс замедляется, но продолжает идти в эволюционном плане.

2. ^ Эволюция видов идет в направлении, увеличивающем биогенную миграцию атомов в ней. Этот принцип важен для понимания истории жизни, а при переводе на язык практики он означает увеличение продуктивности растений и животных.

3. ^ В течение всего геологического времени заселение планеты должно быть максимально возможным для всего живого вещества, которое существовало в тот или иной момент. Этот принцип важен для понимания современных проблем биосферы. Живое вещество, достигшее качественно новой высшей формы развития -формы человеческого общества, получило возможность существования на всем пространстве земной поверхности. При этом отношения человеческого общества с биосферой также перешли в новую форму: биосфера стала превращаться в ноосферу.

^ ОСНОВНЫЕ ГРУППЫ БИОГЕОХИМИЧЕСКИХ ФУНКЦИЙ ЖИВОГО ВЕЩЕСТВА

В. И. Вернадский химические проявления живого вещества в биосфере разделил на 5 групп биогеохимических функций.

Газовые

В. И. Вернадский писал, что все газы, образующиеся в биосфере, теснейшим образом связаны своим происхождением с живым веществом, всегда биогенны и изменяются главным образом биогенным путем. Поэтому «атмосфера нашей планеты в ее подавляющей по весу части - есть создание ее жизни, живого вещества, являющегося выражением ее биогеохимической газовой функции, а не астрономическое явление (зависящее в главной своей части от всемирного тяготения) по своему существу».

Среди газовых функций В. И. Вернадский выделил следующие 7, заметив, что этот список далеко не полон, но касается тех функций, которые более или менее хорошо изучены.

1. Кислородно-углекислотная - создается подавляющая масса свободного кислорода на планете. Носителями этой функции являются хлорофилльные зеленые организмы. Выделение кислорода идет только при освещении зеленого вещества солнечными лучами, ночью этот фотохимический процесс прекращается и на смену ему приходит процесс образования угольной кислоты, которую зеленые растения выделяют при дыхании. Именно поэтому эта функция называется кислородно-углекислотной.

Углекислотная (независимая от кислородной) - создается биогенная угольная кислота в результате дыхания животных, жизнедеятельности грибов, бактерий. В то же время эти две функции являются стадиями единого биогеохимического цикла углерода (рис. 5).

^ Озонная и перекисьводородная – генетически связана с жизнью, так как озон и, возможно, перекись водорода - продукты жизни (через кислород, идущий на образование озона и перекиси). Биогенный кислород, переходя в озон, предохраняет жизнь от пагубного действия ультрафиолетового излучения.

Азотная - свободный азот тропосферы создается живым веществом почвы (рис. 6).

Но, может быть, замечает В. И. Вернадский, не меньшее значение имеет биогенная реакция, идущая на поверхности океана, главным образом в планктоне и в саргасовых областях. Считается, что 90% всего естественным путем связываемого азота фиксируется живыми организмами и лишь 10% - за счет фотоэлектрохимических процессов.

5. Углеводородная - сотни и тысячи биогенных газов - углеводородов создаются живым веществом. Все запахи биосферы принадлежат к их числу. В хвойных лесах в солнечные дни количество углеводородов в воздухе достигает нескольких процентов по весу. Роль этих газов в биосфере чрезвычайно велика, но мало изучена. В небольших примесях к тропосфере они уменьшают тепловое лучеиспускание нашей планеты в космическое пространство и охраняют растения от ночного теплоизлучения.

Водная - биогенный круговорот воды. Биогенный характер водной функции не вызывает сомнения. Состояние растительного покрова закономерно связано с влажностью воздуха, содержанием воды в почве и подпочве. Растения высасывают воду из почвы и подпочвы, понижают уровень грунтовых вод и играют основную роль в круговороте воды на нашей планете. Например, 1 га пшеницы испаряет за период развития 3 750 т воды, У вечнозеленых растений, транспирирующих круглый год, расход воды на транспирацию составляет 4-6 тыс.т с 1 га. Но транспирация воды растениями - это только одна стадия биогеохимического цикла воды в биосфере. Расходуемая на фотосинтез вода из гидросферы вновь поступает в нее в процессах транспирации, дыхания и аэробного окисления. Водная биогеохимическая функция живого вещества наиболее ярко выражена в лесах суши, особенно тропических, и сведение лесов ведет к изменению этой биогеохимической функции живого вещества и к перестройке всего биогеохимического круговорота воды в биосфере.

^ 7. Сероводородная и сульфидная функции. Окислительно-восстановительная система сульфаты сульфиды играет большую роль во всех почвах, особенно в условиях щелочной и нейтральной реакции среды. В присутствии органического вещества и при недостатке кислорода система сульфаты ↔ сульфиды при участии микроорганизмов резко сдвигается в сторону сульфидов, развивается процесс восстановления сульфатов до сернистых металлов. Эта реакция протекает в интервале ОВП от +100 до -100 мВ:

Na2SO4 + 2С → Na2S+2СО2.

Под действием углекислоты сернистые металлы разлагаются, образуя бикарбонаты и карбонаты щелочных земель и щелочей:

Na2S+Н2СО3. → Na2CO, + H2S.

Образующийся сероводород уходит в атмосферу, развивается процесс десульфирования или десульфации почвенного раствора, грунтовых или глубинных подземных вод, сопровождающийся постепенным исчезновением сернокислых солей и подщелачиванием раствора. Процессы десульфирования наблюдаются в луговых солончаковатых почвах, хлоридно-сульфатных солончаках, соляных грязях, торфяных болотах, в донных отложениях застойных водоемов, на полях орошаемого риса при их длительном затоплении стоячей водой.

Доступ кислорода и снижение уровня грунтовых вод в период просыхания переувлажненных почв вызывают сдвиг окислительно-восстановительной системы в обратном направлении. Интенсивно развиваются окислительные процессы, причем как в результате чисто химических реакций, так и под воздействием микроорганизмов. В результате в почвах и грунтах образуются соединения серы, окисляемые в дальнейшем до серной кислоты и сульфатов. Часть серы из системы утрачивается в виде сероводорода, поэтому полной обратимости реакции окисления-восстановления нет.

Таким образом, биогенное образование сероводорода является важнейшим звеном биогеохимического цикла серы в биосфере. Превращение органической серы животными и бактериями в конечный продукт - сероводород - и восстановление минеральной серы бактериями в процессе десульфофикации в сероводород - две стадии сероводородной функции живых организмов. По оценке Робинсона и Робинсона (Robinson, Robinson, 1968), биогенное образование серы в составе сероводорода на континентах и в океанах достигает соответственно 68 хЮ12 и 30 хЮ12 г/год.

Концентрационные

Концентрационные функции проявляются в способности живых организмов накапливать химические элементы. Концентрация организмами химических элементов для построения своих тел есть, по выражению В. И. Вернадского, «наиболее яркое проявление вещественного характера в явлениях жизни». Именно концентрация создает совокупность живых организмов, т.е. живое вещество. В составе животных и растительных тканей находится большое количество химических элементов, избирательно поглощаемых живым веществом из рассеянного состояния. Это приводит к резко выраженной аккумуляции химических элементов в осадочных породах и в гумусовых горизонтах почв. Скопление в осадочных толщах углей, лигнитов, горючих сланцев, фосфоритов, известняков начало проявляться лишь тогда, когда жизнь на Земле достигла высокого уровня развития.

Все разнообразие концентрационных функций живого вещества В. И. Вернадский свел к двум большим группам: концентрационные функции I рода и концентрационные функции II рода.

^ Концентрационные функции I рода - живым веществом из окружающей среды захватываются те химические элементы, соединения которых встречаются в теле всех без исключения живых организмов (Н, С, N, О, Na, Mg, Al, Si, P, S, Cl, K, Ca, Fe-всего 14 элементов).

^ Концентрационные функции II рода - наблюдается концентрация определенных химических элементов, которые могут в других живых организмах не встречаться или находиться в низких пределах. Например, водоросли-ламинарии накапливают в себе йод до 1 %, т. е. в количествах, в миллион раз превосходящих содержание этого элемента в окружающей среде. Столь же велика способность голотурий к накоплению ванадия.

Окислительно-восстановительные

В. И. Вернадский различал две противоположные биогеохимические функции этой группы. В природе они находятся в известной корреляции и тесно связаны с историей свободного кислорода.

а) окислительная - окисляются более бедные кислородом соединения (в почве, в коре выветривания, в гидросфере): соли, закиси Fe, Mn, нитриты, дитионаты, H2S, N2 и т.д. Окислительная функция выполняется весьма древними по происхождению организмами – бактериями, преимущественно гетеротрофами;

б) восстановительная - выражена для сульфатов при переходе их в H2S, FeS, FeS2. Выполняется специфическими бактериями и грибами, обуславливающими развитие реакций десульфирования, денитрификации, с образованием сероводорода, окислов азота, сернистых металлов, метана, водорода.

Большинство известных и возможных окислительно-восстановительных систем в почвах изучены недостаточно. Н. Г. Зырин и Д.С. Орлов (1964) перечисляют окислительно-восстановительные системы, которые чаще других встречаются в почвах: Fe+3–Fe+2; CO2–CH4; NO3–NО2–NH3; SO4–H2S; PO4–PH3; Mn+2–Mn+3–Mn+4; Cu+–Cu+2; Co+2–Со+3. Во многих случаях переход ионов в низковалентные формы способствует повышению их геохимической подвижности. Так, двухвалентные формы ионов железа и марганца значительно более подвижны, чем высоковалентные. Низко валентные соединения азота и серы отличаются летучестью. Однако для урана, ванадия, молибдена, хрома наиболее растворимыми и геохимически подвижными являются высоковалентные окисленные формы. Это приводит к существенным различиям в почвенной и геохимической истории элементов, обуславливая дифференциацию их во времени и пространстве.

Биохимические

Эта группа функций резко отличается от остальных тем, что центр ее действия находится не во внешней среде, а внутри организмов и теснейшим образом связан с биохимическими процессами построения организма и смерти. Именно эти функции наиболее ярко характеризуют резкое различие химического проявления живого вещества по сравнению с косной материей. По В. И. Вернадскому, биохимические функции в пределах живого вещества распадаются на две:

/ биохимическая - связана с питанием, дыханием, размножением организмов.

// биохимическая - связана с постмортальным разрушением тел живых организмов. При этом происходит ряд биохимических превращений: живое тело -биокосное - косное.

^ Биогеохимические функции человека

Связаны с биогенной миграцией атомов, многократно усиливающейся под влиянием деятельности человека, его разума, созданной им техники. В. И. Вернадский смысл этого понятия раскрыл в своей работе «Химическое строение биосферы Земли и ее окружения»: •«Биогеохимические функции человечества так же, как и других многоклеточных организмов, проявляются, прежде всего, в биогенной миграции атомов 2-го рода, но создаваемая этим путем энергия отходит на второй план перед той биогенной миграцией атомов 3-го рода, о которой сейчас идет речь. Отличие человека в этих проявлениях его жизни на косной и живой природе несравнимо по разнообразию и глубине захвата всех элементов с тем, что мы наблюдаем для других живых существ... Биогеохимическая функция человека является, таким образом, новой геологической силой, которая никогда не существовала на нашей планете в таком размере».

По расчетам Ф. Я. Шипунова (1971), на расход, связанный с техникой жизни, приходится основная часть современного расхода вещества на планете - примерно 97%. А это значит, что человек и техника в принципе способны изменить все вещество биосферы, а также и вещество Земли. Возрастающее воздействие человечества на биосферу и ее окружение В. И. Вернадский рассматривал с точки зрения биогеохимического эффекта, т.е. как проявления биогенной миграции атомов 2-го и 3-го рода. Рассматривая с этой точки зрения деятельность человечества в биосфере, Ф. Я. Шипунов выделил ряд наиболее важных групп биогеохимических функций человека: газовые, водные, пылевые, нефтяные, тяжело металлические, хлор-углеводородные и легко летучие органические. Антропогенное поступление веществ в биосферу, связанное с этими функциями человека, составляет от долей процента до десятков и даже сотен и тысяч процентов от природного их поступления. Более того, в биосфере возникли и такие биогеохимические функции человека, которые в естественных ее условиях проявлялись незначительно или отсутствовали совсем. Отличительная особенность многих биогеохимических функций человека - их чужеродность биосфере, поэтому с ними связана нецикличность антропогенных веществ, которая проявляется как их неразлагаемость, синергизм, токсичность и, в конечном счете, подавление естественных биогеохимических функций живого вещества.