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 |