|
|
|||
|
БІОСИСТЕМИ. БІОСФЕРА
ЕКОСИСТЕМИ. ПОПУЛЯЦІЇ
ОРГАНІЗМИ У ДОВКІЛЛІ
ЛЮДСТВО ТА ЙОГО ДОЛЯ
|
|||
|
II-04. Біогеохімічні цикли |
|||
II-4. Біогеохімічні цикли
Я є сукупність води, Кальцію та органічних молекул, звана Карлом Саганом. Ви уявляєте собою майже таку ж систему молекул з іншою сукупною назвою. І тільки-то? Невже в нас немає нічого, крім молекул? Декому здається, що це принижує людську гідність. Особисто я знаходжу таким, що надихає, що наш світ дозволяє розвиватися настільки тонким і складним молекулярним машинам, якими є ми з вами.
Карл Саган
Земне життя побудоване на досить складній хімічній основі. Для його існування необхідно багато хімічних елементів (рис. 2.4.1). Хоча головна сполука у складі організмів — вода, для життєдіяльності вкрай необхідні органічні речовини, що складаються з різноманітних атомів. З елементів, які є важливими ресурсами для біосфери, найважливішими є так звані біогенні елементи або біогени. До біогенних відноситься приблизно половина з 54 елементів, що зустрічаються в земній корі. Особливо важливі макроелементи — C, H, N, O, P, S, Ca, K і Mg, і деякі мікроелементи — Fe, Cl, Na, Zn, V, Mo, B, Co, Cu, Si, Se, Cr, Ni, I, F, Sn і As.
Рис. 2.4.1. Елементи, важливі для живих організмів, в періодичній таблиці
Ролі, які виконують біогени, є різноманітними. Чотири з них (так звані елементи-органогени: Карбон, Гідроген, Нітроген і Оксиген), складають структурну основу органічних молекул. До складу нуклеїнових кислот обов'язково входить Фосфор, а до складу деяких амінокислот (а значить, і білків) — Сульфур. Іони Кальцію, Калію, Натрію і Хлору є важливими для життєдіяльності живих клітин. Багато металів входять до складу найважливіших органічних молекул. Так, до складу молекули хлорофілу входить Магній, а однією з частин гему (складової частини гемоглобіну — білка крові, що переносить кисень, а також деяких інших білків) є іон Феруму.
Для того, щоб організми могли включати до свого складу ці елементи, вони повинні перебувати в доступній формі в населеному організмами середовищі. Одного разу потрапивши до складу живих організмів, один і той же атом може переходити з однієї молекули в іншу, з однієї істоти в іншу. Однак з часом будь-який атом будь-якого біогену покине склад живої речовини та повернеться в навколишнє середовище. Щоб організми могли заповнити недолік необхідних їм біогенів, в середовищі повинні діяти біогеохімічні цикли.
Ймовірно, початок вивчення БГХ-циклів пов'язане з ім'ям шотландського геолога Джеймса Геттона (в більш звичній транслітерації — Хаттона, 1726-1797). До Геттона в геології панував нептунізм, що розглядав особливості геологічної будови Землі як наслідок біблійного потопу. Геттон протиставив їм плутонізм — уявлення про те, що земна речовина руйнується в результаті ерозії, утворює нові породи на морському дні, проходить через надра, перетворюється і знову підіймається нагору, де знову піддається ерозії. Катастрофізму, який панував в геології, Геттон протиставив актуалізм — уявлення про тривалу геологічну історію, протягом якої діяли ті ж процеси, що діють і зараз. Для мислення XVIII століття погляди Геттона можна вважати справжньою революцією. Його можна вважати й попередником уявлень Вернадського про біосферу, й навіть предтечею гіпотези Геї. Річ у тому, що активність Землі Геттон порівнював з життєдіяльністю організму.
Біогеохімічним циклом (БГХ-циклом) називається сукупність відносно замкнутих шляхів перетворення та переміщення речовин через живі організми та середовище їх проживання. Біогеохімічні цикли називаються так тому, що в їх забезпеченні беруть участь як біологічні, так і геохімічні процеси. Звичайно, зовсім необов'язково, щоб, пересуваючись по БГХ-циклу, елементи рухалися по якомусь колу. Однак у міру переходу з однієї молекули в іншу в складі організмів і навколишнього середовища один і той же атом може раз по раз повертатися в якийсь певний стан. В цьому і проявляється циклічність біогеохімічних процесів.
Розглядаючи наведені далі схеми, на яких зображені БГХ-цикли, можна переконатися, що в їх складі виділяють фонди та потоки. Фонди — сукупності речовин, що містять розглянутий елемент в певній формі. Потоки — шляхи перетворення елемента, що переводять його з одного фонду в інший.
У складі різних фондів елементи змінюються з різною швидкістю. Розгляньте гідрологічний цикл (рис. 2.5.1). Та кількість водяної пари, що міститься в атмосфері в кожен момент часу, встигає за рік пройти через неї кілька разів. Разом з тим за мільйони років змінюється лише незначна кількість води, пов'язаної в літосфері. Саме тому в БГХ-циклах виділяють резервні і обмінні фонди.
Виділяють кілька типів циклів, головні з яких — цикли газоподібних речовин з резервними фондами в атмосфері та гідросфері, а також осадові цикли з резервним фондом в літосфері. Ті біогеохімічні цикли, у яких є фонди в атмосфері (цикли Карбону, Нітрогену, води, а також окремо Оксигену і Гідрогену), можуть регулюватися організмами набагато краще, ніж цикли, всі фонди яких розташовані в літосфері. БГХ-цикли розрізняються за ступенем зарегульованості живими організмами Необхідно відзначити, що зарегульованість осадових циклів є гіршою. Якщо спуск елемента в кору йде швидше його підйому з неї, виникає недостача, яка лімітує круговорот, але уповільнює спуск. Той елемент, якого бракує для колообігу, буде сильніше утримуватися живою речовиною і повільніше виводитися з колообігу.
Роль живих організмів в утриманні біогенів була наочно показана в ході експерименту, проведеного на американській біостанції в місцевості Хаббард-Брук (рис. 2.4.2). Було обрано невелику ділянку території (ущелину), обмежену вододілом. На струмок, що виходить з цієї ділянки, була поставлена вимірювальна апаратура. Після того, як вся рослинність на експериментальній ділянці була знищена, експериментатори зареєстрували не лише дворазове збільшення кількості води (до експерименту вона затримувалася ґрунтом та рослинами та в ході транспірації поверталася в атмосферу), але й збільшення вмісту біогенів в цій воді.
Рис. 2.4.2. Одним з наслідків знищення лісу на американській експериментальній станції в Хаббард-Брук стало багаторазове (більш ніж на порядок) збільшення виносу нітратів з території, на якій була знищена вся рослинність (зверніть увагу на розрив на шкалі ординат!)
Наприклад, хоча такі метали як Ca, K, Na, Mg зазвичай не входять до складу органічних молекул, вони вкрай необхідні для життєдіяльності клітин. Вони дуже рухливі в екосистемах. Надходження катіонів в екосистему пов'язано з геологічним і біологічним вивітрюванням материнських порід, принесенням з пилом і опадами. Спад катіонів відбувається у зв'язку з їх виносом поверхневими та ґрунтовими водами. Біологічне угруповання активно затримує винос, підвищуючи кількість катіонів в обмінних фондах. Після знищення ділянки лісу в Хаббард-Брук винос біогенів посилився у багато разів (кальцію — в три, азоту — в 15).
У тропічному лісі переважна частина біогенів перебуває в рослинній біомасі, в помірному лісі — в опаді.
Людина — потужний геологічний фактор. Людство використовує у своїй діяльності майже всі елементи, в тому числі такі, що застосовуються лише для потреб техносфери (Уран, Плутоній, Меркурій та інші). Ми інтенсивно втручаємося в цикл біогенів внаслідок виробництва добрив, що зумовило біогенне забруднення значної частини біосфери.
Природоохоронні зусилля повинні бути спрямовані на перетворення ациклічних процесів в циклічні. На Філіппінах є райони, де на полях, розділених священними лісами, рис вирощують понад 1000 років. На жаль, серед штучних екосистем таких прикладів дуже небагато.
Один з методів вивчення БГХ-циклів пов'язаний з радіаційною екологією. Наприклад, додавши в водойму певну кількість міченого Фосфору (тобто речовини, що містить радіоактивний ізотоп Фосфору), можна вивчати шляхи та динаміку його фіксації живою речовиною та опадами. Для вивчення підземних вод дуже корисним виявився Дейтерій (ізотоп Гідрогену), викинутий в атмосферу в результаті випробувань водневих бомб. Кількість Дейтерію в сучасних опадах є відомою; по тому, скільки його виявляється в підземних водах, можна дізнатися, з якою швидкістю вони поповнюються водами, які надходять з поверхні.
Зрозуміло, елементи розподілені земною поверхнею дуже нерівномірно. Їх нестача може викликати низку аномалій. Найкращим прикладом для аналізу таких аномалій може бути нестача Йоду. Основні доступні для організмів запаси Йоду містяться у Світовому океані. Водорості, морські тварини є його багатим джерелом. Деякі віддалені від морів райони суходолу є бідними на Йод. Таким регіоном, наприклад, є Альпи.
Для людини необхідно 0,15-0,2 мг Йоду на добу; його головна роль — участь у синтезі трийодтироніну та тироксину (що у периферичних тканинах перетворюється на трийодтиронін). Як відомо, ці гормони грають важливу роль у підтримці метаболізму, теплопродукції, діяльності нервової системи. Нестача цих гормонів (що може бути викликаною нестачею Йоду) веде до кволості, апатії, у важких випадках — до кретинізму та карликовості. Від нестачі Йоду в тому чи іншому ступені страждає близько 1 млрд людей.
Нестача Йоду у Альпах була причиною поширення ендемічного зоба — компенсаторної гіперплазії (збільшення) щитоподібної залози, що стає відповіддю на недостатнє надходження Йоду у організм. Таке збільшення викликає посилення секреції гіпофізом тиреотропного гормону (тиреотропіну) — білку, що посилює зв’язування Йоду тканинами щитоподібної залози. Внаслідок цих причин населення Швейцарії завжди страждало від ендемічного зоба, що вважався однією з медичних загадок. Перші спроби визначити вплив Йоду на стан здоров’я людини закінчилися невдачею: були застосовані надмірні, токсичні дози Йоду, що викликали отруєння. На початку XX століття в Швейцарії було доведено, що йодування солі захищає від зобу. Харчова сіль — вдалий для йодування компонент повсякденної їжі; причина в тому, що людина з’їдає приблизно постійну кількість солі. Для йодування на тонну повареної солі додають 20-40 грам KIO3.
Впровадження йодування солі, що стало заслугою кількох швейцарських лікарів, стало яскравим прикладом користі науки: велика кількість хворих вилікувалася, якість життя у цілій країні покращилася. Низка таких прикладів (як і поширення вакцин, медичних технологій тощо) стали причиною збільшення авторитету науки. З часом цей тренд змінився на протилежний; малоосвічене населення, що живе у безпечному світі, стає вразливим для антинаукової пропаганди та піддається на брехливу рекламу «органічної», «натуральної», «традиційної» їжі тощо.