Экология: биология взаимодействия. 2.04. Биогеохимические циклы

2.03. Гипотеза Геи

Д. Шабанов, М. Кравченко. Экология: биология взаимодействия

Глава 2. Биосферология

2.05. Источники энергии для БГХ-циклов 

2.4. Биогеохимические циклы

Я есть совокупность воды, кальция и органических молекул, называемая Карлом Саганом. Вы представляете собой почти такую же систему молекул с другим совокупным названием. И только-то? Неужели в нас нет ничего, кроме молекул? Кое-кому кажется, что это унижает человеческое достоинство. Лично я нахожу вдохновляющим то, что наш мир позволяет развиваться столь тонким и сложным молекулярным машинам, какими являемся мы с вами.
Карл Саган

Земная жизнь построена на весьма сложной химической основе. Для ее существования необходимы многие химические элементы (рис. 2.4.1). Хотя главное соединение в составе организмов — вода, для жизнедеятельности совершенно необходимы органические вещества, состоящие из разнообразных атомов. Из элементов, являющихся важными ресурсами для биосферы, важнейшими являются так называемые биогенные элементы или биогены. К биогенам относится примерно половина из 54 встречающихся в земной коре элементов. Особенно важны макроэлементы — C, H, N, O, P, S, Ca, K и Mg, и некоторые микроэлементы — Fe, Cl, Na, Zn, V, Mo, B, Co, Cu, Si, Se, Cr, Ni, I, F, Sn и As.

Рис. 2.4.1. Элементы, важные для живых организмов, в таблице Д.И. Менделеева

Роли, которые выполняют биогены, разнообразны. Четыре из них (так называемые элементы-органогены: углерод, водород, азот и кислород), составляют структурную основу органических молекул. В состав нуклеиновых кислот обязательно входит фосфор, а в состав некоторых аминокислот (а значит, и белков) — сера. Ионы кальция, калия, натрия и хлора являются важными для жизнедеятельности живых клеток. Многие металлы входят в состав важнейших органических молекул. Так, в состав молекулы хлорофилла входит магний, а одной из частей гема (составной части гемоглобина — переносящего кислород белка крови, а также некоторых других белков) является ион железа.

Для того, чтобы организмы могли включать в свой состав эти элементы, они должны находиться в доступной форме в населенной организмами среде. Единожды попав в состав живых организмов, один и тот же атом может переходить из одной молекулы в другую, из одного существа в другое. Однако со временем любой атом любого биогена покинет состав живого вещества и возвратится в окружающую среду. Чтобы организмы могли восполнить возникающий при этом недостаток необходимых им элементов, в среде должны действовать биогеохимические циклы.

Вероятно, начало изучения БГХ-циклов связано с именем шотландского геолога Джеймса Геттона (в более привычной транслитерации — Хаттона, 1726–1797). До Геттона в геологии господствовали представления нептунизма, рассматривающие особенности геологического строения Земли как следствия библейского потопа. Геттон противопоставил им плутонизм — представление о том, что земное вещество разрушается в результате эрозии, образует новые породы на морском дне, проходит через недра, преобразуется и опять поднимается наверх, где снова подвергается эрозии. Господствовавшему в геологии катастрофизму Геттон противопоставил актуализм — представление о длительной геологической истории, в течение которой действовали те же процессы, что действуют и сейчас. Для мышления XVIII века взгляды Геттона можно считать настоящей революцией. Его можно считать и предшественником представлений Вернадского о биосфере, и даже предтечей гипотезы Геи. Дело в том, что активность Земли Геттон сравнивал с жизнедеятельностью организма.

Биогеохимическим циклом (БГХ-циклом) называется совокупность относительно замкнутых путей перемещения веществ через живые организмы и среду их обитания. Биогеохимические циклы называются так потому, что в их обеспечении участвуют как биологические, так и геохимические процессы. Конечно, совершенно необязательно, чтобы, передвигаясь по БГХ-циклу, элементы двигались по какому-то кругу. Однако по мере перехода из одной молекулы в другую в составе организмов и окружающей среды один и тот же атом может раз за разом возвращаться в какое-то определенное состояние. В этом и проявляется цикличность биогеохимических процессов.

Рассматривая приведенные далее схемы, на которых изображены БГХ-циклы, можно убедиться, что в их составе выделяют фонды и потоки. Фонды — совокупности веществ, содержащих рассматриваемый элемент в определенной форме. Потоки — пути преобразования элемента, переводящие его из одного фонда в другой.

В составе разных фондов элементы сменяются с разной скоростью. Рассмотрите гидрологический цикл (рис. 2.5.1). То количество водяного пара, которое содержится в атмосфере в каждый момент времени, успевает за год пройти через нее несколько раз. В то же время за миллионы лет сменяется лишь незначительное количество воды, связанной в литосфере. Именно поэтому в БГХ-циклах выделяют резервные и обменные фонды.

Выделяют несколько типов циклов, главные из которых — циклы газообразных веществ с резервными фондами в атмосфере и гидросфере и осадочные циклы с резервным фондом в литосфере. Те биогеохимические циклы, у которых есть фонды в атмосфере (циклы углерода, азота, воды, а также по отдельности кислорода и водорода), могут регулироваться организмами намного лучше, чем циклы, все фонды которых расположены в литосфере. БГХ-циклы различаются по степени зарегулированности живыми организмами Необходимо отметить, что зарегулированность осадочных циклов хуже. Если спуск элемента в кору идет быстрее его подъема из нее, возникает недостача, лимитирующая круговорот, но замедляющая спуск. Тот элемент, которого недостает для круговорота, будет сильнее удерживаться живым веществом и медленнее выводиться из круговорота.

Роль живых организмов в удержании биогенов была наглядно показана в ходе эксперимента, проведенного на американской биостанции в местности Хаббард-Брук (рис. 2.4.2). Был выбран небольшой участок территории (ущелье), ограниченный водоразделом. На вытекавшем из этого участка ручье была поставлена измерительная аппаратура. После того, как вся растительность на экспериментальном участке была уничтожена, экспериментаторы зарегистрировали не только двукратное увеличение количества вытекавшей воды (до эксперимента она задерживалась почвой и растениями и в ходе транспирации возвращалась в атмосферу), но и увеличение содержания биогенов в этой воде.

Рис. 2.4.2. Одним из последствий уничтожения леса на американской экспериментальной станции в Хаббард-Брук стало многократное (более, чем на порядок) увеличение выноса нитратов с территории, на которой была уничтожена вся растительность (обратите внимание на разрыв на шкале ординат!)

Например, хотя такие металлы как Ca, K, Na, Mg обычно не входят в состав органических молекул, они совершенно необходимы для жизнедеятельности клеток. Они очень подвижны в экосистемах. Поступление катионов в экосистему связано с геологическим и биологическим выветриванием материнских пород, приносом с пылью и осадками. Убыль катионов происходит в связи с их выносом поверхностными и грунтовыми водами. Биологическое сообщество активно задерживает вынос, повышая количество катионов в обменных фондах. После уничтожения участка леса в Хаббард-Брук вынос биогенов усилился во много раз (кальция — в три, азота — в 15).

В тропическом лесу подавляющая часть биогенов заключена в растительной биомассе, в умеренном лесу — в опаде.

Человек — мощный геологический фактор. Человечество использует в своей деятельности почти все элементы, в том числе применяемые только для нужд техносферы (уран, плутоний, ртуть и другие). Мы интенсивно вмешиваемся в цикл биогенов за счет производства удобрений, что обусловило биогенное загрязнение значительной части биосферы.

Природоохранные усилия должны быть направлены на превращение ациклических процессов в циклические. На Филиппинах есть районы, где на полях, разделенных священными лесами, рис возделывается более 1000 лет. Увы, среди искусственных экосистем таких примеров очень немного.

Один из методов изучения БГХ-циклов связан с радиационной экологией. Например, добавив в водоем некоторое количество меченого фосфора (т.е. вещества, содержащего радиоактивный изотоп фосфора), можно изучать пути и динамику его фиксации живым веществом и осадками. Для изучения подземных вод очень полезным оказался дейтерий (изотоп водорода), выброшенный в атмосферу в результате испытаний водородных бомб. Количество дейтерия в современных осадках известно; по тому, сколько его оказывается в подземных водах, можно узнать, с какой скоростью они пополняются водами, поступающими с поверхности.

 

2.03. Гипотеза Геи

Д. Шабанов, М. Кравченко. Экология: биология взаимодействия

Глава 2. Биосферология

2.05. Источники энергии для БГХ-циклов