Геохимия живого вещества

Биосфера

Живая оболочка составляет 3-10^-9 массы Земли. Необходимо помнить, что она «теснейшим образом связана со строением земной коры, входит в ее механизм и в этом механизме исполняет величайшей важности функции, без которых он не мог бы существовать с. 56 Вернадский (2004)». На протяжении всей истории биосферы ее самыми влиятельными с точки зрения планетарных процессов, составляющими были зеленые растения и микроорганизмы.

Биомасса микроорганизмов океана составляет около трети всей биомассы биоты планеты, биомасса бактерий суши сравнима с биомассой растений. Таким образом, биомасса прокариот - от половины до 90 % всего живого вещества биосферы.

Таблица 9 Сравнение биосферы с другими геосферами Земли (Акимова, Хаскин, 2000)

Таблица 10 Биомасса растений и животных биосферы (Акимова, Хаскин, 2000)

Таблица 11

Количественная характеристика биомассы и продуктивности биосферы (Акимова, Хаскин, 2000)

Кларки концентрации элементов в живом веществе называются биофильностью. Наибольшей биофильностью обладает углерод (7800), менее биофильны азот (160) и водород (70). Близки по биофильности анионогенные элементы кислород (1, 5), хлор (1, 1), сера (1), фосфор (0, 75), бор (0, 83), бром (0, 71) и др. Наименее биофильны железо (0, 002) и алюминий (0, 0006), т.е. живое вещество в основном состоит из элементов, образующих газообразные и растворимые соединения, его состав лучше коррелирует с составом гидросферы и атмосферы, чем литосферы.

Этот предложенный Б.Б.Полыновым показатель А.И.Перельман назвал коэффициентом биологического поглощения Ах:

Ах=lх/nх, где lх – содержание элемента в золе растений, nх – в горной породе или почве на которой произрастает данное растение, кларк литосферы.

КОЭФФИЦИЕНТ БИОЛОГИЧЕСКОГО ПОГЛОЩЕНИЯ (Аx)

отношение содержания химических элементов в золе организмов (растений, животных) к его содержанию в среде обитания (Кларк литосферы или почвы). Используется для оценки связи среды и физиологической роли химического элемента, а также для выявления участия каждого химического элемента в биотическом круговороте, роли организмов-индикаторов и организмов-концентраторов.

Катионы, содержащиеся в золе, разделены на сильные, создающие хорошо растворимые щелочи и слабые.

Выделено 4 группы. Элементы, у которых Аx > 1, называются элементами «биологического накопления» и выделяются в 2 группы:

1 группа (10n – 100n) – энергично накапливаемые (P, S, Cl), 2 группа – сильно накапливаемые (Ca, K, Mg, Na, Sr, B, Zn) при Ax от n до 10n. Растения очень активно захватываются бор, бром, йод, цинк и серебро, у которых величина А х выше 10. Для 3 группы элементов Ax < 1 (от n до 10n), хотя некоторые элементы – Cu, Ni, Co и др. могут тоже значительно поглощаться и накапливаться в живом веществе, но все же менее чем элементы 2 группы. Низкие значения Ах для таких элементов, как галлий, цирконий, титан, иттрий, лантан можно объяснить тем, что они присутствуют в земной коре в трудно доступных для растений формах, а другие, например уран, фтор, токсичны и поэтому поглощаются ограниченно. Большинство элементов 3 группы только захватывается, а не накапливается. 4 и 5 группы – это группы слабого и очень слабого захвата.

Сравним кларки титана и молибдена в фитомассе и земной коре, которая служит источником этих металлов в глобальном плане. Например, растительность аккумулирует молибден в несколько десятков раз интенсивнее, чем титан. Рассматривая ряды поглощения элементов, мы устанавливаем очень интенсивное поглощение сильных анионов (Cl, S, Р,), для которых А_х составляет 10-n—100-n и значительно более слабое поглощение катионов (Са, Mg, Na, К), для которых А_х равен п. Al, U, Zr поглощаются живым веществом в 100 раз меньше, чем элементы 2 группы.

Выделяются следующие геохимические особенности биологического поглощения: если сравнивать поглощение анионов и катионов, то оказывается, что интенсивность поглощения организмами сильных анионов (Cl, S, Р) в десятки раз больше, чем интенсивность поглощения сильных катионов (Са, Mg, Na, К). Отметим, что вещества, являющиеся слабыми катионами или анионами также слабо поглощаются живым веществом.

Таким образом, значения Кларков рассеянных элементов в земной коре не предопределяют интенсивности их биологического поглощения. Определяющими факторами интенсивности являются степень участия элемента в биологических процессах и доступность его формы для растений. Например, Кларк циркония более чем в 3 раза превышает Кларк цинка в земной коре, однако интенсивность биологического поглощения циркония в 13 раз меньше. Причиной является слабое участие Zr в биологических процессах, но главная причина в том, что его минералы устойчивы к выветриванию, и легко доступные для растений формы отсутствуют в почвах. Цинк - важный биогенный элемент. В растениях наряду с участием в дыхании, белковом и нуклеиновом обменах Цинк регулирует рост, влияет на образование аминокислоты. Дефицит Цинка в организме ведет к карликовости, задержке полового развития; при его избыточном поступлении в организм возможны (по экспериментальным данным) канцерогенное влияние и токсическое действие на сердце, кровь, гонады и др.

Числовое значение Ах химических элементов не является величиной постоянной и зависит, в частности, от вида растений. Так, элементы с Ах немногим больше или меньше единицы могут переходить из первой группы во вторую, и наоборот. Наиболее примечательным в этом отношении является стронций. Значение Ах этого элемента в одних растениях опускается до 0, 1 и ниже, в других – достигает 20–30. Для мхов характерно интенсивное поглощение железа Ax = 1, для хвощей – Si, для солевыносливых лебедовых – хлора и натрия. Имеются и организмы-концентраторы Zn – например, некоторые фиалки. Объясняется это геохимическими условиями той среды, в которой эволюционно сформировался вид растения. Высокое значение NaCl в лебедовых объясняется те, что они произрастают на солончаках. Значит можно предположить, что эволюция вида протекала в ландшафтах с высоким содержанием этой соли. Хвощи сформировались на заре эволюции растений. В это время растения выделяли органические вещества, растворяющие силикаты, и для укрепления стеблей использовали Si как фитолит. Зола ветвей березы, лиственницы и сосны имеет близкие значения содержания магния, кальция, но резко различные количества радия и бария. Различные части организмов по разному концентрируют химические элементы. В чашуйках семян риса накапливается Si в виде фитолитов.

ПРИРОДНЫЕ ЦИКЛЫ Экзогенный и эндогенный циклы

Весь взаимообмен между отдельными резервуарами - оболочками планеты имеет циклический характер. Мы уже упоминали большой геологический цикл (см. рис. 6). Более подробное его рассмотрение позволяет выделить в нем два цикла, называемые в англоязычных источниках экзогенный и эндогенный (рис. 8). Циклы, в функционировании которых участвует биота, называются биогеохимическими. Схема такого цикла приведена на рис. 9.

Видно, что вовлеченные в биогеохимический цикл вещества составляют два больших «фонда»:

■ обменный фонд, вещество которого совершает постоянную циркуляцию между живыми организмами и окружающей их средой;

■ резервный фонд, вещество которого не участвует в данный момент в кругообороте, но которое может быть вовлечено. По месту сосредоточения большинства вещества резервного фонда все биогеохимические циклы разделяют на осадочные циклы (резервный фонд в земной коре) и циклы газообразных веществ (резервный фонд в атмосфере).

Гидрологический цикл

С детства, еще из учебников природоведения, всем памятен наиболее простой и наглядный «кругооборот воды в природе», который представлен на рис. 10 как глобальный гидрологический цикл. Вода под действием энергии солнца постоянно испаряется, конденсируется в атмосфере и в виде осадков возвращается на поверхность океана и континентов. Вертикальные потоки испарения и осадков хорошо сбалансированы между собой, как и потоки горизонтального транспорта в атмосфере (с поверхности океана на сушу) и поверхностного стока (с суши в океан).

Рис. 10. Экзогенный и эндогенный циклы.

Циклы биогенных элементов

Другой пример глобального цикла, также хорошо известный каждому со школьной скамьи, - цикл углерода, приведенный на рис. 11. Главный резервный фонд составляет углерод, растворенный в Мировом океане, оперативно доставляемый атмосферой в регионы, где происходит наиболее интенсивное связывание углекислоты в процессе фотосинтеза. Колоссальные количества углерода ежегодно связываются и трансформируются биотой, играющей в этом цикле ведущую роль. Тесно связан с углеродным циклом и цикл кислорода, резервный фонд которого в атмосфере, как мы уже отмечали выше, создан исключительно благодаря деятельности биоты. Два главных процесса, постоянно осуществляющихся биотой - продукция и деструкция органического вещества (фотосинтез и дыхание/брожение) сводятся к чрезвычайно простому уравнению реакции:

Естественно, это - крайняя степень упрощения, биохимические и биофизические механизмы обеих реакций достаточно сложны, но данная форма записи достаточно наглядно демонстрирует неразрывную связь циклов углерода и кислорода. Большая часть органического углерода находится в керогене.

Рис. 11. Глобальный круговорот углерода: А - обмен между резервуарами (по Акимова, Хаскин, 2000); Б - биогеохимический цикл в сопряжении с другими элементами (по Добрецов, 2005, изм.) (в резервуарах в Гт, потоки - в Гт год^-1).

Рис. 12. Круговорот азота (в Гт год ¹)

Не менее важны, хотя и меньше известны циклы других необходимых для построения живого вещества элементов - азота и фосфора. Резервный фонд первого находится в атмосфере (рис. 12), второго - в литосфере.

Являясь самым массовым газом в атмосфере, азот, тем не менее, не может напрямую вовлекаться зелеными растениями в биогеохимический цикл. Молекулярный азот - вещество крайне инертное и в реакции вступать не расположенное. Два атома в его молекуле прочно удерживаются тремя ковалентными связями: N = N. Для их разрыва и превращения молекулярного азота в вещества, которые растения способны усваивать и включать в свой метаболизм, необходимо затратить энергию и энергию достаточно значительную.

В атмосфере некоторое количество азота превращается в окись и двуокись азота, которые, связываясь с молекулами воды, переходят в ионную форму нитритов и нитратов. При этом затрачивается энергия электрических разрядов. Таким путем вовлекается в биогеохимический цикл примерно 20 %

всего участвующего в нем азота. Весь остальной азот становится доступен растениям и, следовательно, остальной биоте только благодаря деятельности прокариотических микроорганизмов — бактерий, способных усваивать молекулярный азот, превращая его в ионы аммония:

Приведенное уравнение реакции - не более чем схема, поскольку реальные процессы намного сложнее. Достаточно упомянуть, что для фиксации азота бактерии используют энергию, получаемую при разложении значительно большего количества органического вещества, чем это следует из приведенного уравнения. На связывание 1 г азота расходуется энергия,

заключенная примерно в 10 г углеводов. Микробиологическое связывание

—2 —2

азота постоянно происходит с мощностью примерно 1 г год м. Образование из ионов аммония нитрит- и нитрат-анионов может происходить уже самопроизвольно в присутствии кислорода, а вот образование из неорганических веществ (аммония, нитритов, нитратов) аминокислот и нуклеотидов, белков и нуклеиновых кислот возможно только в результате биохимических реакций, осуществляющихся растениями. Организмы биоты, использовав азот, возвращают его в атмосферу. Цикл замыкается.

Значительно проще биогеохимический круговорот фосфора (рис. 13). В результате эрозии фосфаты вымываются из богатых ими осадочных и вулканических пород, в растворенной форме усваиваются растениями, включаясь в состав живого вещества. В организмах фосфор используется для построения нуклеиновых кислот и как важный компонент «энергетической валюты» биохимии — АТФ. По использовании, фосфор выводится из биоты вновь в форме фосфатов и захоранивается в донных осадках.

Рис. 13. Круговорот фосфора (по Одум, 1986, 1, с. 210).

Если учитывать азот и фосфор в приведенном выше уравнении фотосинтеза/дыхания, то мы получим:

106 СO2 + 16 NO3^- + HPO4^2- + 122 H2O + 18 H+ ^ C106H263O110N16P + 138 O2.

Значения коэффициентов в этом уравнении будут увеличиваться по мере учета все новых и новых элементов, участвующих в построении живого вещества.

Кроме вышерассмотренных к числу «больших» элементов, необходимых для жизни, относится сера. Резервный фонд ее, как и у фосфора, сосредоточен в осадочных породах. Цикл ее достаточно прост (рис. 14), но он интересен тем, что в нем очень существенную (едва ли не большую, чем в цикле азота) роль играют микроорганизмы.

Основной источник серы - выветривание, благодаря которому сера вовлекается в кругооборот из своего осадочного резервного фонда (сульфидсодержащих горных пород):

Рис. 14. Схема круговорота серы.

Сульфатредуцирующие бактерии, использующие серу в качестве акцептора электронов (как мы - кислород) для извлечения необходимой им энергии из органических веществ, образуют сероводород в отсутствие кислорода:

Примером таких бактерий является облигатный анаэроб Desulfovibrio.

В присутствии кислорода целый ряд серных бактерий окисляет сероводород до серы и серной кислоты:

Это, например, Beggiatoa, и Thiothrix, которые накапливают серу внутри своих клеток. Бактерии рода Thiobacillus также окисляют сульфиты до серы и сульфатов, откладывая серу снаружи клеток:

Главным образом, благодаря этим и подобным им бактериям и сформировались современные запасы самородной серы. В отсутствие кислорода бактерия Thiobacillus denitrificans окисляет серу и сульфиты до сульфатов, используя нитраты. Здесь мы видим связь циклов азота и серы:

и пурпурные бактерии:

Существуют и бактерии, использующие серу в хемосинтезе органического вещества - зеленые серные бактерии:

Транспорт любых веществ между оболочками Земли можно достаточно наглядно описать с помощью предложенной С. Манахэном универсальной схемы (рис. 15).

Рис. 15. Универсальная схема для описания циркуляции веществ между

резервуарами Земли.

Сопоставление биосферы и техносферы