Н.В. Гусакова, А.И. Забалуева, В.В. Румянцева
Экология: конспект лекций
Под редакцией А.Н. Королева. — Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2006. — 176с.

Лекция 5. Функции сохранения живого вещества. Закон сохранения живого вещества. Геохимическое представление биосферы

5.2. Закон сохранения живого вещества

Очень образно формулирует этот закон В.И. Вернадский: "Атомы, вошедшие в какую-нибудь форму живого вещества, захваченные единичным жизненным вихрем, с трудом возвращаются, а может быть, и не возвращаются назад, в косную материю биосферы". Благодаря закону сохранения можно говорить об атомах, остающихся в пределах живой материи в течение геологических периодов, всё время находящихся в движении и миграции, но не выходящих назад в косную материю. Иными словами, основу функционирования живого вещества составляет биотический круговорот веществ.

Биотический круговорот обеспечивается взаимодействием трёх основных групп организмов:

продуцентов, (зелёных растений), осуществляющих фотосинтез, и бактерий, способных к хемосинтезу, – они создают первичное органическое вещество;

консументов потребляющих органическое вещество, – это растительноядные и хищные животные;

редуцентов (деструкторов), разлагающих мёртвое органическое вещество до минерального, – это в основном бактерии, грибы и простейшие животные.

На восходящей ветви биотического круговорота (рис. 5), основанного на выполнении энергетической функции зелёными растениями, происходит аккумуляция солнечной энергии в виде органических веществ, синтезируемых растениями из неорганических соединений – углекислого газа, воды, азота, зольных элементов питания. Нисходящая ветвь биотического круговорота связана с потерями органического вещества. Важнейший процесс – дыхание растений, при котором до половины ассимилированного при фотосинтезе органического вещества окисляется до СО₂ и возвращается в атмосферу. Второй существенный процесс расходования органического вещества и накопленной в нём энергии – это потребление растений консументами первого порядка – растительноядными животными. Запасаемая фитофагами с пищей энергия также в значительной мере расходуется на дыхание, жизнедеятельность, размножение, выделяется с экскрементами.

Рис. 5. Модель биотического круговорота веществ

Каждое звено экосистемы поставляет в окружающую среду органические остатки (детрит), которые служат источником пищи и энергии для животных-сапрофагов, а главным образом для микроорганизмов – бактерий, грибов, актиномицетов и др. Завершающим этапом превращения органического вещества являются процессы гумификации и далее окисления гумуса до СО₂ и минерализации зольных элементов, которые вновь возвращаются в почву и атмосферу, обеспечивая растения пищей.

Биотический круговорот представляет собой непрерывный процесс создания и деструкции органического вещества. Он реализуется при участии представителей всех трёх групп организмов:

— продуцентов, производящих основу жизни, – первичное органическое вещество;

— консументов разных порядков, потребляющих первичную и вторичную продукцию, переводящих органическое вещество из одной формы в другую и способствующих возрастанию многообразия форм жизни на Земле;

— редуцентов, разлагающих органическое вещество до минерального и возвращающих его к началу круговорота.

Глобальные циклы миграции химических элементов не только связывают три наружные оболочки нашей планеты в единое целое, но и обусловливают непрерывную эволюцию её состава.

В биотическом круговороте помимо образующих органическое вещество элементов (кислород, углерод, водород) принимает участие большое число биологически важных элементов (азот, кальций, натрий, калий, кремний, фосфор, сера), а также микроэлементов (бром, йод, цинк, серебро, молибден, медь, магний, свинец, кобальт, никель). Список элементов, поглощаемых живым веществом, можно значительно расширить, причём в него входят даже ядовитые элементы (ртуть, селен, мышьяк), а также радиоактивные.

Отметив циклический характер массоэнергообмена, ответим на вопрос о скорости круговорота различных веществ в биосфере.

Биохимические циклы.  В экосистемах очень важна роль биохимических циклов. Биогенные элементы – C, O₂, N₂ , P, S, CO₂, H₂O и другие – в отличие от энергии удерживаются в экосистемах и совершают непрерывный круговорот из внешней среды в организмы и обратно во внешнюю среду. Эти замкнутые пути называют биохимическими циклами. В каждом круговороте различают два фонда: 1) резервный, включающий большую массу движущихся веществ, в основном не биологических элементов, 2) подвижный, или обменный, фонд – по характеру более активный, но менее продолжительный, отличительной особенностью которого является быстрый обмен между организмами  и их непосредственным окружением.

Биохимические  циклы  можно   подразделять на два типа: 1) круговорот газообразных веществ с резервным фондом  в атмосфере и гидросфере (океан), 2) осадочный цикл с резервным фондом в земной коре.

Из 90 с лишним элементов, встречающихся в природе, 30 –40 необходимы для живых организмов. Человек уникален не только тем, что его организм нуждается в 40 элементах, но и тем, что в своей деятельности использует почти все другие имеющиеся в природе элементы.

Круговорот азота. Азот составляет около 80 % атмосферного воздуха и является крупнейшим резервуаром и предохранительным клапаном атмосферы. Однако большинство организмов не могут усваивать азот из воздуха. Между тем азот участвует в построении всех белков  и нуклеиновых кислот. Усваивать азот из воздуха  способны только некоторые организмы, например бактерии, которые существуют в симбиозе с бобовыми растениями (горох, фасоль, соя). Они  поселяются на корнях бобовых растений, образуя клубеньки, в которых и происходит химическая фиксация азота. Азот могут усваивать также  сине-зелёные водоросли, называемые цианобактериями. Они образуют симбиоз  с плавающим папоротником, который растёт на заливаемых водой рисовых полях и до высадки посадки риса удобряет эти поля азотом. Первый этап фиксации атмосферного азота приводит к образованию аммиака и называется аммонификацией. Аммиак  используется растениями для синтеза аминокислот, из которых состоят белки. Второй этап фиксации азота микроорганизмами – нитрификация, при этом образовавшийся аммиак преобразуется в соли азотной кислоты – нитраты. Нитраты усваиваются корнями растений  и транспортируются в листья, где происходит синтез белков. Процесс разложения белков, осуществляемый особой группой бактерий, называется денитрификацией. Распад идёт сначала с образованием нитратов, потом аммиака и, наконец, молекулярного азота. Количество азота в живых тканях составляет около 3 % его содержания в обменных фондах экосистем. Общее время круговорота азота – примерно 100 лет.

Круговорот  углерода. Круговороты углекислоты  и воды в глобальном масштабе – самые важные для человечества биогеохимические круговороты.

В круговороте CO₂  атмосферный фонд невелик по сравнению с запасами углерода в океанах, ископаемом топливе и других резервуарах земной коры. До наступления индустриальной эры потоки углерода между атмосферой, материками и океанами были сбалансированы. Но в XX в. содержание CO₂  постоянно растёт в результате новых техногенных поступлений (сжигание горючих ископаемых, деградация почвенного слоя, сведение лесов и т.д). В 1800 г. в атмосфере Земли содержалось 0,29%   CO₂; в  1958 – 0,315 %, а к 1980 г. его содержание выросло до 0,335 %. Если концентрация  CO₂  вдвое превысит доиндустриальный уровень, что может случиться в середине XXI в., то температура поверхности Земли и нижних слоёв атмосферы  в среднем повысится на 3^о. В результате чего подъём уровня моря, и перераспределение осадков  могут погубить сельское хозяйство.

Биологический круговорот углерода достаточно прост; в нём участвуют только органические соединения и CO₂ . Растения потребляют ежегодно около 100 млрд т углерода, 30 млрд т возвращаются в атмосферу в результате дыхания растений. Остальные 70 млрд т обеспечивают дыхание и продукцию животных, бактерий и грибов в различных трофических цепях. Растения и животные ежегодно пропускают через себя  0,25–0,30 % углерода , содержащегося  в атмосфере и океанах. Весь обменный фонд углерода совершает круговорот каждые 300–400 лет.

Кроме CO₂ в атмосфере присутствует в небольших количествах окись углерода – CO (примерно 0,1 части на миллион). Однако в городах с интенсивным автомобильным движением содержание CO может достигать 100 частей на миллион, что представляет угрозу для здоровья человека. Для сравнения можно привести другой пример: курильщик, потребляющий в день пачку сигарет, получает до 400 частей СО на миллион, что часто является причиной анемии и других сердечно-сосудистых заболеваний.

Другое соединение углерода в атмосфере – метан (CH₄), который поддерживает стабильность озонового слоя в атмосфере.

Круговорот воды. Вода составляет значительную часть живых существ: в теле человека – 60 %  от веса, а в растительном организме достигает 95 %.

Для человечества важны фазы круговорота в пределах экосистем. Здесь происходят четыре процесса:

—  перехват. Растительность перехватывает часть выпадающей в осадках воды до того, как она достигает почвы. Перехваченная вода испаряется в атмосферу. Величина перехвата в умеренных широтах может достигать  25 % общей суммы осадков, это – физическое испарение;

—  транспирация – биологическое испарение воды растениями. Это не дождевая вода, а вода, заключённая в растении, т.е. экосистемная. Растения, потребляя около 40 % общего количества осадков, играют главную роль в круговороте воды;

—  инфильтрация – просачивание воды в почве. При этом часть инфильтрованной  воды задерживается в почве тем сильнее, чем значительнее в ней коллоидальный комплекс, соответствующий накоплению в почве перегноя;

—  сток. В этой фразе круговорота избыток выпавшей с осадками  воды стекает в моря и океаны.

Отличие циклов углерода и азота от круговорота воды состоит в том, что в экосистемах два названных элемента накапливаются и  связываются, а вода проходит через экосистемы почти без потерь. Биосфера ежегодно использует на формирование биомассы 1% воды, выпавшей в виде осадков.

Круговорот фосфора. Фосфор – один из наиболее важных биогенных компонентов. Он входит в состав нуклеиновых кислот, клеточных мембран, систем аккумуляции и переноса энергии, костной ткани и дентина. Круговорот фосфора всецело связан с деятельностью организмов.

В отличие от азота и углерода резервуаром фосфора служат не атмосфера, а горные породы и отложения, образовавшиеся в прошлые геологические эпохи. Круговорот фосфора – типичный пример осадочного цикла.