Биогеохимические циклы элементов в природе

Биогенные элементы являются связующим звеном между биотическими и абиотическими компонентами экосистем.

Химические элементы в экосистемах циркулируют (т.е. совершают круговорот), причем обмен элементами между составными частями экосистемы сбалансирован . Например, круговорот углерода и кислорода обеспечивается взаимодополняющими (комплементарными) процессами фотосинтеза и дыхания.

Углерод – четырехвалентен и имеет уникальную способность объединяться в длинные цепи. Аллотропии :графит, алмаз, карбин, аморфный углерод. Число углеродистых соединений – около 10 млн.                     

Содержание в земной коре – 6,5 1016 т; 1013 т входит в состав горючих ископаемых. В атмосфере – 6 1011 т; в гидросфере - 1014 т.

Количество углерода, ежегодно связываемого растениями, оценивается в 46 млрд т . Через цепи питания часть его поступает в организм животных, часть освобождается при дыхании и в виде углекислого газа поступает в атмосферу. Естественное пополнение углекислого газа в атмосфере происходит при вулканических извержениях. Наконец, значительная часть атмосферного диоксида углерода поглощается океаном и откладывается в виде карбонатов

Кислород

Постоянство содержания в воздухе кислорода , азота и углекислого газа обусловлено их биогеохимическим круговоротом, в котором активно участвует не только не живая природа, но и  живое вещество. Круговороты углерода, кислорода и азота тесно взаимосвязаны и взаимозависимы, их разделение можно провести с большой степенью условности. Кроме того, во всех этих круговоротах большое значение имеет глобальный ( планетарный ) круговорот воды в биосфере.

Кислород играет значительную роль в процессах обмена веществ большинства представителей животного .мира. Он участвует в дыхании - цепочке химических реакций, в результате которых высокомолекулярные энергоемкие соединения, например углеводы, под действием кислорода переходят в низкомолекулярные, бедные энергией, такие, как диоксид углерода и вода.

Высвобождающаяся при этом энергия способствовала в ходе эволюции жизни на Земле доминирующему развитию аэробных живых организмов, появлению множества форм этих организмов, усложнению их организации и, наконец возникновению высших форм жизни..

Наряду с циклами углерода и кислорода очень важную роль играют круговороты азота и фосфора. Цикл азота служит примером сложного круговорота веществ, способного к быстрой саморегуляции

Значение азота в возникновении и развитии жизни на Земле столь же существенно, как и кислорода и углерода, поскольку азот входит в состав белков. В молекулярной форме азот, в громадном количестве содержащийся в атмосфере -почти 3/4 общей ее массы, не используется  высшими животными и растениями. Перевод его в форму, пригодную для использования растениями ,- фиксация, или нитрификация, осуществляется азотфиксирующими бактериями и водорослями. В результате биологической фиксации получаются  ионы нитратов, нитритов или аммония, усваиваемые растениями.

Упрощенная схема кругооборота азота в природе

      с указанием некоторых важнейших реакций с участием азота.

Основным источником азота является земная атмосфера, где он содержится в виде Н. Атмосферный азот переходит в связанное состояние при разряде молний во время грозы и в результате жизнедеятельности бобовых растений. Соединения азота накапливаются в почве в виде NНз (илиNH4+),NO2-,NO3-

Все они растворимы в воде и могут вымываться из почвы грунтовыми водами. Эти соединения азота используются растениями в процессе роста и переходят в организмы животных, поедающих растения. Экскременты животных, а также мертвые растения и животные под воздействием некоторых бактерий разлагаются с выделением в атмосферу, чем и завершается кругооборот азота в природе.

Через цепи питания азот поступает в организмы травоядных и хищных животных.

Редуценты разлагают азотсодержащие компоненты мертвой органики до соединений, усваиваемых растениями или восстанавливают их денитрификацией до молекулярного азота, который вновь поступает в атмосферу. Некоторая часть соединений азота оседает в глубоководных отложениях и на миллионы лет  исключаются из круговорота. Таким образом,  в превращении атмосферного азота в органический главную роль играют так называемые низшие формы жизни, которым за это по крайней мере должны быть благодарны все высшие формы жизни.

Цикл фосфора - пример более простого осадочного цикла с менее совершенной регуляцией.

Фосфор

Упрощенная схема кругооборота фосфора в природе

Два элемента (азот и фосфор) очень важные факторы в водных экосистемах, где они ограничивают и контролируют численность организмов.

Главным резервуаром фосфора (в отличие от азота) служат не атмосфера, а горные породы прошлых геологических эпох. К растениям фосфор попадает главным образом в виде фосфатов (рис.3.9). Соединения фосфора растворимы лишь в кислых растворах и в бескислородных средах и именно в таком виде пригодны для усвоения растениями. В щелочных растворах и кислородной среде фосфор связан обычно в нерастворимые соединения с кальцием, например, в составе апатитов: 3Ca3(PO4)2 Ca(Cl, F)2 и фосфоритов Ca3(PO4)2.

Незначительные количества фосфора возвращаются из воды на сушу благодаря рыболовству, а также с экскрементами морских птиц (раньше этот процесс играл солидную роль в цикле фосфора - вспомните залежи гуано на побережьях Южной Америки!). Однако в целом поток фосфора идет в одном направлении - из наземных горных пород на дно моря.

Деятельность человека ведет к усиленной потере фосфора на суше, что делает его круговорот еще менее замкнутым. По данным известного американского эколога Дж. Хатчинсона, вылов морской рыбы (60000 т ежегодно в пересчете на элементарный фосфор) не компенсирует смыва и выключения из круговорота того фосфора, который добывается человеком на удобрения (1 - 2 млн. т фосфорсодержащих пород в год).

Важность сбалансированного круговорота фосфора резко возрастет в будущем, т.к. из всех макроэлементов фосфор  - один из самых дефицитных (в доступных резервуарах на поверхности земли). Поэтому во многих экосистемах Р выступает как лимитирующий (сдерживающий жизнь фактор).

Фосфор заслуживает особо пристального внимания в связи с тем, что роль его в истории развития жизни на Земле трудно переоценить. Относительно редкий элемент (9 10-2 % от массы всей земной коры), фосфор тем не менее лежит в основе уникальной системы снабжения живых организмов энергией. Для того чтобы на древней Земле затеплилась жизнь, потребовалась особая форма энергии, поддерживающая эту жизнь, - энергия фосфатных (или, как их называют иначе, фосфангидридных) связей РОР. Простейший представитель таких энергонесущих, молекул - пирофосфат:

При гидролизе пирофосфата высвобождается энергия (более 29кДж/моль), что значительно больше, чем если бы гидролизу подверглась любая другая молекула, не содержащая связей РОР.

Для организмов роль главного источника энергии играет другое соединение, имеющее фосфангидридные связи, - знаменитый АТФ (аденозинтрифосфат), имеющий две таких связи Многие ферменты (белки - катализаторы биохимических реакций используют энергию АТФ. С помощью АТФ клетка движется, вырабатывает теплоту, избавляется от отходов, синтезирует новые вещества.

Помимо фосфатных групп в состав АТФ входят моносахарид (рибоза) и пуриновое основание аденин, образующие аденозин. Связь РОР концевой фосфатной группы разрывается при гидролизе, в результате чего образуется аденозиндифосфат (АДФ). Эта реакция сопровождается выделением 33 кДЖ энергии. Такие же соединения входят в состав  рибонуклеиновых кислот, отвечающих за синтез белков и передачу наследственной информации.

Таким образом, в известную фразу - земная жизнь сформировалась на основе углерода можно смело добавить - и фосфора.

.

Как отмечал еще В.И. Вернадский, существует теснейшая связь между геохимическими процессами (процессами распределения и превращения элементов в составе Земли) и жизнедеятельностью обитающих на планете существ В живые организмы атомы элементов попадают из окружающей среды и после различных превращений и определенного времени пребывания в них возвращаются вновь в среду. При таком подходе живые организмы можно назвать открытыми системами (с точки зрения термодинамики), т.е. свободно обменивающимися с внешним миром веществом и энергией

Естественно, что в биосфере представлены все элементы периодической системы, из которых в разных комбинациях и состоит все окружающее, в том числе и мы сами. Всего лишь 8 элементов: О2, Si, Al, Fe, Ca, Na, K, Mg составляют по массе 99% земной коры. Причем, 50% приходится на кислород и 25% на кремний.

Тело человека также более чем наполовину состоит из кислорода (62,81%). На этом сходство его и биосферы по элементному составу практически заканчивается, разве что за исключением содержания Ca (рис.3.2).

Нахождение того или иного элемента в организме и доля его в последнем определяются в основном следующими факторами:

       наличием элемента в природе в доступной (чаще всего водо-растворимой) форме;

       способностью организма поглощать элементы;

       способностью организма удерживать (накапливать) элементы в своем теле.

Нахождение того или иного элемента в организме и доля его в последнем определяются в основном следующими факторами:

       наличием элемента в природе в доступной (чаще всего водо-растворимой) форме;

       способностью организма поглощать элементы;

       способностью организма удерживать (накапливать) элементы в своем теле.

Особенно жизненно необходимы организмам 22. биогенных элемента, которые в свою очередь делятся на макроэлементы и микроэлементы. Собственно макро и микро - это лишь характеристика их содержания в организме.

Макро - это 0,001% ; микро - 0,001% 0,000001%.

Суточная потребность человека в макроэлементах составляет более 100 мг, в микроэлементах около 10-15 мг (табл. 3.3).

Представление о роли некоторых элементов для нормального функционирования человеческого организма можно получить из таблицы3.4.

Поскольку без солнечного излучения невозможен процесс фотосинтеза, ясно, что энергия солнца необходима для круговорота биогенных элементов в экосистеме и, следовательно, для ее нормального функционирования.

                                                                                     Таблица 3.2

Содержание различных элементов в биосфере и теле человека,%

Элемент	Атомный номер	Литосфера, атмосфера, гидросфера	Тело человека
H	1	0,95	9,31
C	6	0,18	19,37
N	7	0,03	5,14
O	8	50,02	62,81
F	9	0,10	0,009
Na	11	2,36	0,26
Mg	12	2,08	0,04
Al	13	7,30	0,001
Si	14	25,80	Следы
P	15	0,11	0,64
S	16	0,11	0,63
Cl	17	0,20	0,18
K	19	2,28	0,22
Ca	20	3,22	1,38
Mn	25	0,08	0,0001
Fe	26	4,18	0,005

Однако на планете есть организмы, которые, создавая необходимые им в качестве пищи органические вещества, обходятся без солнечной энергии. Это - хемосинтезирующие бактерии. Сам же процесс бессолнечного синтеза органических веществ, осуществляемый ими, получил название хемосинтеза (от греч. хемия - химия и синтез - соединение). Его открыл в 1887г. русский микробиолог С.Н. Виноградский (1856 - 1953).

. Необходимую энергию хемосинтезирующие микроорганизмы получают, окисляя неорганические соединения (NH3, H2, FeS2 и т.д.) во внутриклеточных экзотермических реакциях.

Хемосинтезирующие бактерии называют поэтому еще и хемотрофами (чтобы отличить от гелиотрофов - зеленых растений). Примеры хемотрофов - серобактерии, играющие одну из центральных ролей в круговороте серыХемотрофы впервые в истории развития жизни, в условиях первобытной Земли научились использовать энергию превращения химических соединений для своих жизненных нужд.

Вероятно, первыми, легкодоступными источниками энергии для древних анаэробных бактерий-хемотрофов были окислительно-восстановительные процессы с участием соединений железа и серы. Ныне живущие хемотрофы используют те же реакции, что и их предшественники миллионы лет назад. Экзотермический процесс, например, катализируют бактерии рода Desulfovibrio, получая энергию при восстановлении сульфатов с помощью водорода:

               

В природе этот процесс, называемый также анаэобной сульфатредукцией, имеет немаловажное значение. Благодаря ему, в толщах морей и океанов формируются слои, содержащие в высоких концентрациях сероводород Таблица 3.3

Суточная потребность человека в макро- и микроэлементах,

                                                   мг/сут

Пол и возраст	Ca	P	Mg	Na	Fe	Zn	K	I, мкг
Мужчины 11-14 лет	1200	1200	350	5000	18	15		150
15-18 лет	1200	1200	400		18	1		50
19 и старше	800	800	350		10	15	2-3	150
Женщины 11-18 лет	1200	1200	400		18	15		150
19-50 лет	1200	800	300	5000	18	15	2-3	150
51 и старше	800	800	300		10	15		150

.

Так, например, в Черном море сероводородные воды занимают около 90% объема моря.

Большинство серобактерий (например, род Thiobacillus) окисляют элементарную серу (равно как и H2S или тиосульфат-ионы ). Роль окислителя при этом могут выполнять нитрат-ионы:

                   .

В этом процессе на 1 моль окисляемой серы выделяется 546 кДж энергии.

Жизнедеятельность подобных хемотрофов может создавать и серьезные проблемы. Так, в случае с Thiobacillus ferrooxidans, окисляющих ферросульфид (минерал пирит), в значительных количествах образуется серная кислота:

               4FeS2 + 15O2 + 6H2O ® 4Fe(OH)SO4 + 4H2SO4.

Вода, вытекающая из заброшенных железорудных шахт, может иметь рН ниже 2 и тем самым создавать угрозу кислотного загрязнения водоемов.

Другие важнейшие хемотрофы - нитрификаторы, окисляющие аммиак в две стадии до азотной кислоты. Первую стадию осуществляют бактерии рода Nitrozomonas:

             2NH3 + 3O2 ® 2HNO2 + 2H2O + 660 кДж.

Роль макро и микроэлементов в функционировании организма человека

Элемент	Источники поступления в организм	Область функционирования	Признаки недостаточности
1	2	3	4
Ca	Молоко, молочные продукты, рыба, приготов-ленная с костями	Образование костной ткани, зубов, регулирование передачи сигнала по нервам, мышечное сокращение, свертывание крови, образование коллагена	Рахит у детей, остеомалация и остеопороз у взрослых
Р	Животные белки	Часть костной ткани, генетического кода, участвует в передаче и функционировании клеточных мембран, помогает поддерживать необходимое Рн внутренних жидкостей	Практически неизвестны, не описаны
К	Апельсиновый сок, бананы, с/фрукты, картофель	Обеспечение сердечной деятельности, водного баланса и целостности клеток, необходим для передачи нервного сигнала, метаболизма углеводов и белков	Внезапная смерть при увеличении нагрузок, плохая передача нервных сигналов, аритмия сердечных сокращений
Cl	Молоко, соленая пища, пищевая соль	Переваривание пищи (HCl), поддерживание электронейтральности жидкостей организма путем диффузии	-
S	Все белки	Входит в состав биологических молекул и ионов	-
Na	Соленая пища, пищевая соль	Регулирование содержания жидкости в организме, передача нервного сигнала	Головная боль, слабость, слабая память, потеря аппетита
Mg	Орехи, морская пища, шоколад, фасоль, овсянка, гречка	Катализирование синтеза молекул-переносчиков энергии, участие в синтезе белков и энергетических процессах расслабления мышц	Потеря жидкости в организме, сердечные спазмы
F	Морская пища, фторированная вода	Участие в построении костей, зубов	Разрушение зубов
Cr