Большой (геологический) и малый (биогеохимические) круговорот веществ

Большой (геологический) и малый (биогеохимические) круговорот веществ Все вещества на нашей планете находятся в процессе круговорота. Солнечная энергия вызывает на Земле два круговорота веществ:

Большой (геологический или абиотический);

Малый (биотический, биогенный или биологический).

Круговороты веществ и потоки космической энергии создают устойчивость биосферы. Круговорот твердого вещества и воды, происходящий в результате действия абиотических факторов (неживой природы), называют большим геологическим круговоротом. При большом геологическом круговороте (протекает миллионы лет) горные породы разрушаются, выветриваются, вещества растворяются и попадают в Мировой океан; протекают геотектонические изменения, опускание материков, поднятие морского дна. Время круговорота воды в ледниках 8 000 лет, в реках — 11 дней. Именно большой круговорот поставляет живым организмам элементы питания и во многом определяет условия их существования.

Большой, геологический круговорот в биосфере характеризуется двумя важными моментами: кислород углерод геологический.

• а) осуществляется на протяжении всего геологического развития Земли;
• б) представляет собой современный планетарный процесс, принимающий ведущее участие в дальнейшем развитии биосферы.

На современном этапе развития человечества в результате большого круговорота на большие расстояния переносятся также загрязняющие вещества — оксиды серы и азота, пыль, радиоактивные примеси. Наибольшему загрязнению подверглись территории умеренных широт Северного полушария.

Малый, биогенный или биологический круговорот веществ происходит в твердой, жидкой и газообразных фазах при участии живых организмов. Биологический круговорот в противоположность геологическому требует меньших затрат энергии. Малый круговорот является частью большого, происходит на уровне биогеоценозов (внутри экосистем) и заключается в том, что питательные вещества почвы, вода, углерод аккумулируются в веществе растений, расходуются на построение тела. Продукты распада органического вещества разлагаются до минеральных компонентов. Малый круговорот незамкнут, что связано с поступлением веществ и энергии в экосистему извне и с выходом части их в биосферный круговорот.

В большом и малом круговоротах участвует множество химических элементов и их соединений, но важнейшими из них являются те, которые определяют современный этап развития биосферы, связанный с хозяйственной деятельностью человека. К ним относятся круговороты углерода, серы и азота (их оксиды — главнейшие загрязнители атмосферы), а также фосфора (фосфаты — главный загрязнитель материковых вод). Практически все загрязняющие вещества выступают как вредные, и их относят к группе ксенобиотиков. В настоящее время большое значение имеют круговороты ксенобиотиков — токсичных элементов — ртути (загрязнитель пищевых продуктов) и свинца (компонент бензина). Кроме того, из большого круговорота в малый поступают многие вещества антропогенного происхождения (ДДТ, пестициды, радионуклиды и др.), которые причиняют вред биоте и здоровью человека.

Суть биологического круговорота заключается в протекании двух противоположных, но взаимосвязанных процессов — созидания органического вещества и его разрушения живым веществом.

В отличие от большого круговорота малый имеет разную продолжительность: различают сезонные, годовые, многолетние и вековые малые круговороты. Круговорот химических веществ из неорганической среды через растительность и животных обратно в неорганическую среду с использованием солнечной энергии химических реакций называется биогеохимическим циклом.

Настоящее и будущее нашей планеты зависит от участия живых организмов в функционировании биосферы. В круговороте веществ живое вещество, или биомасса, выполняет биогеохимические функции: газовую, концентрационную, окислительно-восстановительную и биохимическую.

Биологический круговорот происходит при участии живых организмов и заключается в воспроизводстве органического вещества из неорганического и разложении этого органического до неорганического посредством пищевой трофической цепи. Интенсивность продукционных и деструкционных процессов в биологическом круговороте зависит от количества тепла и влаги. Например, низкая скорость разложения органического вещества полярных районов зависит от дефицита тепла.

Важным показателем интенсивности биологического круговорота является скорость обращения химических элементов. Интенсивность характеризуется индексом, равным отношению массы лесной подстилки к опаду. Чем больше индекс, тем меньше интенсивность круговорота.

Индекс в хвойных лесах — 10 — 17; широколиственных 3 — 4; саванне не более 0,2; влажных тропических лесах не более 0,1, т. е. здесь биологический круговорот наиболее интенсивный.

Поток элементов (азота, фосфора, серы) через микроорганизмы на порядок выше, чем через растения и животных. Биологический круговорот не является полностью обратимым, он тесно связан с биогеохимическим круговоротом. Химические элементы циркулируют в биосфере по различным путям биологического круговорота:

• — поглощаются живым веществом и заряжаются энергией;
• — покидают живое вещество, выделяя энергию во внешнюю среду.

Эти циклы бывают двух типов: круговорот газообразных веществ; осадочный цикл (резерв в земной коре).

Сами круговороты состоят из двух частей:

• — резервного фонда (это часть вещества, не связанная с живыми организмами);
• — подвижного (обменного) фонда (меньшая часть вещества, связанная с прямым обменом между организмами и их непосредственным окружением).

Круговороты делят на:

• — круговороты газового типа с резервным фондом в земной коре (круговороты углерода, кислорода, азота) — способны к быстрой саморегуляции;
• — круговороты осадочного типа с резервным фондом в земной коре (круговороты фосфора, кальция, железа и др.) — более инертны, основная масса вещества находится в «недоступном» живым организмам виде.

Круговороты также можно разделить на:

• — замкнутые (круговорот газообразных веществ, например, кислорода, углерода и азота — резерв в атмосфере и гидросфере океана, поэтому нехватка быстро компенсируется);
• — незамкнутые (создающие резервный фонд в земной коре, например, фосфор — поэтому потери плохо компенсируются, т. е. создается дефицит).

Энергетической основой существования биологических круговоротов на Земле и их начальным звеном является процесс фотосинтеза. Каждый новый цикл круговорота не является точным повторением предыдущего. Например, в ходе эволюции биосферы часть процессов имела необратимый характер, в результате чего происходило образование и накопление биогенных осадков, увеличение количества кислорода в атмосфере, изменение количественных соотношений изотопов ряда элементов и т. д.

Циркуляцию веществ принято называть биогеохимическими циклами. Основные биогеохимические (биосферные) циклы веществ: цикл воды, цикл кислорода, цикл азота (участие бактерий-азотфиксаторов), цикл углерода (участие аэробных бактерий; ежегодно около 130 т углерода сбрасывается в геологический цикл), цикл фосфора (участие почвенных бактерий; ежегодно в океаны вымывается 14 млн. т фосфора), цикл серы, цикл катионов металлов.

Круговорот воды Круговорот воды — замкнутый цикл, который может совершаться, как было сказано выше, и в отсутствии жизни, но живые организмы видоизменяют его.

Круговорот основан на принципе: суммарное испарение компенсируется выпадением осадков. Для планеты в целом испарение и осадки уравновешивают друг друга. При этом из океана испаряется воды больше, чем возвращается с осадками. На суше, наоборот, больше выпадает осадков, но излишек стекает в озера и реки, а оттуда снова в океан. Баланс влаги между континентами и океанами поддерживается речным стоком.

Таким образом, глобальный гидрологический цикл имеет четыре основных потока: осадки, испарение, влагоперенос, транспирация.

Вода — самое распространенное вещество в биосфере — служит не только средой обитания для многих организмов, но и является составной частью тела всех живых существ. Несмотря на огромное значение воды во всех жизненных процессах, происходящих в биосфере, живое вещество не играет определяющей роли в большом круговороте воды на земном шаре. Движущей силой этого круговорота является энергия солнца, которая тратится на испарение воды с поверхности водяных бассейнов или суши. Испарившаяся влага конденсируется в атмосфере в виде облаков, переносимых ветром; при охлаждении облаков выпадают осадки.

Общее количество свободной несвязанной воды (доля океанов и морей, где жидкая соленая вода), приходится от 86 до 98%. Остальное количество воды (пресная вода) хранится в полярных шапках и ледниках и образует водные бассейны и ее грунтовые воды. Выпадающие на поверхность суши, покрытой растительностью, осадки частично задерживаются листовой поверхностью и в дальнейшем испаряются в атмосферу. Влага, достигшая почвы, может присоединиться к поверхностному стоку или поглотиться почвой. Полностью поглотившись почвой (это зависит от типа почв, особенности горных пород и растительного покрова), избыток осадка может просочиться вглубь, к грунтовым водам. Если количество выпавших осадков превышает влагоемкость верхних слоев почвы, начинается поверхностный сток, скорость которого зависит от состояния почвы, крутизны склона, продолжительности осадков и характера растительности (растительность может предохранить почву от водной эрозии). Вода, задержавшаяся в почве, может испаряться с ее поверхности или, после поглощения корнями растений, транспирироваться (испаряться) в атмосферу через листья.

Транспирационный ток воды (почва — корни растений — листьяатмосфера) представляет собой основной путь воды через живое вещество в ее большом круговороте на нашей планете.

Круговорот углерода От свойств и особенностей углерода зависит все многообразие органических веществ, биохимических процессов и жизненных форм на Земле. Содержание углерода в большинстве живых организмов составляет около 45% от сухой их биомассы. В круговороте органического вещества и всего углерода Земли участвует все живое вещество планеты, которое непрерывно возникает, видоизменяется, погибает, разлагается и в такой последовательности происходит перенос углерода с одного органического вещества на построение другого по цепи питания. Кроме того, все живое дышит, выделяя углекислый газ.

Круговорот углерода на суше. Круговорот углерода поддерживается благодаря фотосинтезу наземными растениями и океанским фитопланктоном. Поглощая углекислоту (фиксируя неорганический углерод), растения с помощью энергии солнечного света преобразуют ее в органические соединения — создавая свою биомассу. Ночью же растения, как и все живое, дышат, выделяя углекислый газ.

Большая часть первичной продукции — биомассы растительности (содержащей органический углерод) — поедается растительноядными животными, которые строят свою биомассу, содержащую органический углерод, далее в свою очередь поедаемые организмами следующих звеньев сложных трофических цепей, образованных консументами второго, третьего и т. д. порядков. Организмы каждого трофического уровня используют энергию, заключенную в веществах тела своих жертв или хозяев (паразиты) и выделяют в атмосферу углекислый газ, образующийся в процессе дыхания.

Отмершие растения, трупы и экскременты животных служат пищей для многочисленных гетеротрофных организмов (животных, растений-сапрофитов, грибов, микроорганизмов). Все эти организмы обитают в основном в почве и в процессе жизнедеятельности создают свою биомассу, в состав которой входит органический углерод. Они также выделяют углекислый газ, создавая «почвенное дыхание». Часто мертвое органическое вещество не полностью разлагается и в почвах накапливается гумус (перегной), играющий важную роль в плодородии почв. Степень минерализации и гумификации органических веществ зависит от многих факторов: влажности, температуры, физических свойств почвы, состава органических остатков и т. д. Под действием бактерий и грибов гумус может разлагаться до углекислоты и минеральных соединений.

Круговорот углерода в Мировом океане. Круговорот углерода в океане отличается от круговорота на суше. В океане слабое звено организмов высших трофических уровней, следовательно, и все звенья круговорота углерода. Время прохождения углерода через трофическое звено океана непродолжительно, а количество выделяемого углекислого газа незначительно.

Океан выполняет роль основного регулятора содержания углекислого газа в атмосфере. Между океаном и атмосферой происходит интенсивный обмен углекислого газа. Воды океана имеют большую растворяющую способность и буферную емкость. Система, состоящая из угольной кислоты и ее солей (карбонатов) является своеобразным депо углекислоты, связана с атмосферой через диффузию СО? из воды в атмосферу и обратно.

В океане днем интенсивно протекает фотосинтез фитопланктона, при этом свободная углекислота усиленно расходуется, карбонаты служат дополнительным источником ее образования. Ночью при увеличении содержания свободной кислоты за счет дыхания животных и растений значительная ее часть снова входит в состав карбонатов. Происходящие процессы идут в направлениях: живое вещество? СО? Н? СО? Са (НСО?)?? СаСО?.

В природе некоторое количество органического вещества не подвергается минерализации в результате недостатка кислорода, большой кислотности среды, специфических условий захоронения и т. д. Часть углерода выходит из биологического круговорота в виде неорганических (известняки, мел, кораллы) и органических (сланцы, нефть, уголь) отложений.

Деятельность человека вносит существенные изменения в круговорот углерода на нашей планете. Изменяются ландшафты, типы растительности, биоценозы и их пищевые цепи, осушаются или орошаются огромные площади поверхности суши, улучшается (или ухудшается) плодородие почв, вносятся удобрения и пестициды и т. д. Наиболее опасно поступление углекислого газа в атмосферу в результате сжигания топлива. При этом увеличивается скорость круговорота углерода и укорачивается его цикл.

Круговорот кислорода Кислород является обязательным условием существования жизни на Земле. Он входит практически во все биологические соединения, участвует в биохимических реакциях окисления органических веществ, обеспечивающих энергией все процессы жизнедеятельности организмов биосферы. Кислород обеспечивает дыхание животных, растений и микроорганизмов в атмосфере, почве, воде, участвует в химических реакциях окисления, происходящих в горных породах, почвах, илах, водоносных горизонтах.

Основные ветви круговорота кислорода:

• — образование свободного кислорода при фотосинтезе и его поглощение в процессе дыхания живых организмов (растений, животных, микроорганизмов в атмосфере, почве, воде);
• — образование озонового экрана;
• — создание окислительно-восстановительных зональностей;
• — окисление окиси углерода при извержении вулканов, накопление сульфатных осадочных пород, расход кислорода в человеческой деятельности и т. д.; везде участвует молекулярный кислород фотосинтеза.

Круговорот азота Азот входит в состав биологически важных органических веществ всех живых организмов: белков, нуклеиновых кислот, липопротеидов, ферментов, хлорофилла и т. д. Несмотря на содержание азот (79%) в составе воздуха, он является дефицитным для живых организмов.

Азот в биосфере находится в недоступной для организмов газообразной форме (N2) — химически мало активной, поэтому он не может непосредственно использоваться высшими растениями (и большинством низших растений) и животным миром. Растения усваивают азот из почвы в виде ионов аммония или нитратных ионов, т. е. так называемый фиксированный азот.

Различают атмосферную, промышленную и биологическую фиксации азота.

Атмосферная фиксация происходит при ионизации атмосферы космическими лучами и при сильных электрических разрядах во время гроз, при этом из молекулярного азота воздуха образуются оксиды азота и аммиака, которые благодаря атмосферным осадкам превращаются в аммонийный, нитритный, нитратный азот и попадают в почву и водные бассейны.

Промышленная фиксация происходит в результате хозяйственной деятельности человека. Атмосфера загрязняется соединениями азота заводами, производящими азотные соединения. Горячие выбросы ТЭЦ, заводов, космических аппаратов, сверхзвуковых самолетов окисляют азот воздуха. Оксиды азота, взаимодействуя с парами воды воздуха с осадками возвращаются на землю, попадают в почву в ионной форме.

Биологическая фиксация играет основную роль в круговороте азота. Ее осуществляют почвенные бактерии:

• — азотфиксирующие бактерии (и сине-зеленые водоросли);
• — микроорганизмы, живущие в симбиозе с высшими растениями (клубеньковые бактерии);
• — аммонифицирующие;
• — нитрифицирующие;
• — денитрифицирующие.

Свободно живущие в почве азотфиксирующие аэробные (существующие в присутствии кислорода) бактерии (Azotobacter) способны осуществлять фиксацию молекулярного азота атмосферы за счет энергии, получаемой при окислении органических веществ почвы в процессе дыхания, в конечном итоге связывая его с водородом и вводя в виде аминогруппы (-NH2) в состав аминокислот своего тела. Молекулярный азот способен фиксировать и некоторые анаэробные (живущие в отсутствие кислорода) бактерии, существующие в почве (Clostridium). Отмирая, и те и другие микроорганизмы обогащают почву органическим азотом.

К биологической фиксации молекулярного азота способны и сине-зеленые водоросли, особенно важные для почв рисовых полей.

Наиболее эффективно биологическая фиксация атмосферного азота протекает у бактерий, живущих в симбиозе в клубеньках бобовых растений (клубеньковые бактерии).

Эти бактерии (Rizobium) используют энергию растения-хозяина для фиксации азота, в то же время снабжая наземные органы хозяина доступными ему соединениями азота.

Усваивая соединения азота из почвы в нитратной и аммонийной формах, растения строят необходимые азотсодержащие соединения своего тела (нитратный азот в клетках растений предварительно восстанавливается). Растения-продуценты снабжают азотистыми веществами весь животный мир и человечество. Погибшие растения используются, согласно трофической цепи, биоредуцентами.

Аммонифицирующие микроорганизмы разлагают органические вещества, содержащие азот (аминокислоты, мочевину), с образованием аммиака. Часть органического азота в почве не минерализуется, а превращается в гумусовые вещества, битумы и компоненты осадочных пород.

Аммиак (в виде аммонийного иона) может поступить в корневую систему растений, или использоваться в процессах нитрификации.

Нитрифицирующие микроорганизмы являются хемосинтетиками, используют энергию окисления аммиака до нитратов и нитритов до нитратов для обеспечения всех процессов жизнедеятельности. За счет этой энергии нитрификаторы восстанавливают углекислый газ и строят органические вещества своего тела. Окисление аммиака при нитрификации протекает по реакциям:

NH? + 3O?? 2HNO? + 2H? O + 600 кДж (148 ккал).

HNO? + O?? 2HNO? + 198 кДж (48 ккал).

Нитраты, образовавшиеся в процессах нитрификации, вновь поступают в биологический круговорот, поглощаются из почвы корнями растений или после поступления с водным стоком в водные бассейныфитопланктоном и фитобентосом.

Наряду с организмами, фиксирующими атмосферный азот и нитрифицирующие его, в биосфере существуют микроорганизмы, способные восстанавливать нитраты или нитриты до молекулярного азота. Такие микроорганизмы, называемые денитрификаторами, при недостатке свободного кислорода в водах или почве используют кислород нитратов для окисления органических веществ:

C?H??O?(глюкоза) + 24KNO?? 24KHCO? + 6CO? + 12N? + 18H? O + энергия Освобождающаяся при этом энергия служит основой всей жизнедеятельности денитрифицирующих микроорганизмов.

Таким образом, во всех звеньях круговорота исключительную роль играют живые вещества.

В настоящее время все большую роль в азотном балансе почв и, следовательно, во всем круговороте азота в биосфере играет промышленная фиксация атмосферного азота человеком.

Круговорот фосфора Круговорот фосфора более прост. В то время как резервуаром азота служит воздух, резервуар фосфора — это горные породы, из которых он высвобождается при эрозии.

Углерод, кислород, водород и азот легче и быстрее мигрируют в атмосфере, так как находятся в газообразной форме, образуя в биологических круговоротах газообразные соединения. Для всех остальных элементов, кроме серы необходимых для существования живого вещества, в биологических круговоротах нехарактерно образование газообразных соединений. Эти элементы мигрируют в основном в виде ионов и молекул, растворенных в воде.

Фосфор, усваиваемый растениями в виде ионов ортофосфорной кислоты принимает большое участие в жизнедеятельности всех живых организмов. Он входит в состав АДФ, АТФ, ДНК, РНК и др. соединения.

Круговорот фосфора в биосфере является незамкнутым. В наземных биогеоценозах фосфор после поглощения растениями из почвы по пищевой цепи вновь поступает в виде фосфатов в почву. Основное количество фосфора вновь поглощается корневой системой растений. Частично фосфор может вымываться со стоком дождевых вод из почвы в водные бассейны.

В естественных биогеоценозах часто испытывается недостаток фосфора, причем в щелочной и окисленной среде он находится обычно в виде нерастворимых соединений.

Большое количество фосфатов содержат горные породы литосферы. Часть их постепенно переходит в почву, часть разрабатывается человеком для производства фосфорных удобрений, большая часть выщелачивается и вымывается в гидросферу. Там они используются фитопланктоном и связанными с ними организмами, находящимися на разных трофических уровнях сложных пищевых цепей.

В Мировом океане потери фосфатов из биологического круговорота происходят за счет отложений остатков растений и животных на больших глубинах. Поскольку фосфор перемещается, в основном, из литосферы в гидросферу с водой, то в литосферу он мигрирует биологическим путем (поедание рыб морскими птицами, использование бентосных водорослей и рыбной муки в качестве удобрения и т. д.).

Из всех элементов минерального питания растений фосфор можно считать дефицитным.

Круговорот серы Для живых организмов сера играет большое значение, т. к. она входит в состав серосодержащих аминокислот (цистина, цистеина, метионина и др.). Находясь в составе белков, серосодержащие аминокислоты поддерживают необходимую трехмерную структуру белковых молекул.

Сера усваивается растениями из почвы только в окисленной форме, в виде иона. В растениях сера восстанавливается и входит в состав аминокислот в виде сульфгидрильных (-SH) и дисульфидных (-S-S-) групп.

Животные усваивают только восстановленную серу, находящуюся в составе органических веществ. После отмирания растительных и животных организмов сера возвращается в почву, где в результате деятельности многочисленных форм микроорганизмов подвергается преобразованиям.

В аэробных условиях некоторые микроорганизмы окисляют органическую серу до сульфатов. Сульфатные ионы, абсорбируясь корнями растений, вновь включаются в биологический круговорот. Часть сульфатов может включаться в водную миграцию и выноситься из почвы. В почвах, богатых гумусовыми веществами, значительное количество серы находится в органических соединениях, что препятствует ее вымыванию.

В анаэробных условиях при разложении органических соединений серы образуется сероводород. Если сульфаты и органические вещества находятся в бескислородной среде, то активируется деятельность сульфатредуцирующих бактерий. Они используют кислород сульфатов для окисления органических веществ и получают таким образом необходимую для своего существования энергию.

Сульфатредуцирующие бактерии распространены в подземных водах, в илах и застойных морских водах. Сероводород является ядом для большинства живых организмов, поэтому его накопление в залитой водой почве, озерах, лиманах и т. д. значительно снижает или даже полностью прекращает жизненные процессы. Такое явление наблюдается в Черном море на глубине ниже 200 м от его поверхности.

Таким образом, для создания благоприятной среды необходимо окисление сероводорода до сульфатных ионов, что уничтожит вредное действие сероводорода, сера перейдет в доступную для растений форму — в виде сернокислых солей. Эту роль выполняет в природе особая группа серобактерий (бесцветные, зеленые, пурпурные) и тионовые бактерии.

Бесцветные серобактерии являются хемосинтетиками: они используют энергию, получаемую при окислении кислородом сероводорода до элементарной серы и при дальнейшем ее окислении до сульфатов.

Окрашенные серобактерии являются фотосинтезирующими организмами, которые используют сероводород в качестве донора водорода для восстановления углекислоты.

Образующаяся элементарная сера у зеленых серобактерий выделяется из клеток, у пурпурных накапливается внутри клеток.

Суммарная реакция этого процесса — фоторедукция:

СО?+ 2H? S свет? (CH?O)+ H? O +2S.

Тионовые бактерии окисляют за счет свободного кислорода элементарную серу и ее различные восстановленные соединения до сульфатов, возвращая ее снова в основное русло биологического круговорота.

В процессах биологического круговорота, где происходит превращение серы, огромную роль играют живые организмы, особенно микроорганизмы.

Главным накопителем серы на нашей планете является Мировой океан, т. к. в него из почвы непрерывно поступают сульфат-ионы. Часть серы из океана возвращается на сушу через атмосферу по схеме сероводород — окисление его до двуокиси серы — растворение последней в дождевой воде с образованием серной кислоты и сульфатов — возвращение серы с атмосферными осадками в почвенный покров Земли.

Круговорот неорганических катионов Жизненно важными кроме основных элементов, входящих в состав живых организмов (углерода, кислорода, водорода, фосфора и серы), являются и многие другие макрои микроэлементы — неорганические катионы. В водных бассейнах растения получают необходимые им катионы металлов непосредственно из окружающей среды. На суше главным источником неорганических катионов служит почва, которая получила их в процессе разрушения материнских пород. В растениях поглощенные корневыми системами катионы передвигаются в листья и другие органы; некоторые из них (магний, железо, медь и ряд других) входят в состав биологически важных молекул (хлорофилла, ферментов); другие, оставаясь в свободном виде, участвуют в поддержании необходимых коллоидных свойств протоплазмы клеток и выполняют иные разнообразные функции.

При отмирании живых организмов неорганические катионы в процессе минерализации органических веществ возвращаются в почву. Потери этих компонентов из почвы происходят в результате выщелачивания и выноса катионов металлов с дождевыми водами, отторжения и выноса органического вещества человеком при возделывании сельскохозяйственных растений, рубке леса, скашивании трав на корм скоту и т. д.

Рациональное применение минеральных удобрений, мелиорация почв, внесение органических удобрений, правильная агротехника помогут восстановить и поддержать баланс неорганических катионов в биоценозах биосферы.

Антропогенный круговорот: круговорот ксенобиотиков (ртути, свинца, хрома) Человечество является частью природы и может существовать только в постоянном взаимодействии с ней.

Существуют сходства и противоречия между естественным и антропогенным круговоротом веществ и энергии, совершающихся в биосфере.

Естественный (биогеохимический) круговорот жизни имеет следующие особенности:

• — использование солнечной энергии в качестве источника жизни и все ее проявления на основе термодинамических законов;
• — он осуществляется безотходно, т. е. все продукты его жизнедеятельности, минерализуются и снова включаются в следующий цикл круговорота веществ. При этом за пределы биосферы удаляется отработанная, обесцененная тепловая энергия. При биогеохимическом круговороте веществ образуются отходы, т. е. запасы в виде каменного угля, нефти, газа и других минеральных ресурсов. В отличие от безотходного естественного круговорота антропогенный круговорот сопровождается увеличивающимися с каждым годом отходами.

В природе нет ничего бесполезного или вредного, даже от вулканических извержений есть польза, т. к. с вулканическими газами в воздух поступают нужные элементы (например, азот).

Существует закон глобального замыкания биогеохимического круговорота в биосфере, действующий на всех этапах ее развития, как и правило увеличения замкнутости биогеохимического круговорота в ходе сукцессии.

Огромную роль на биогеохимический круговорот оказывает человек, но в противоположном направлении. Человек нарушает сложившиеся круговороты веществ, и в этом проявляется его геологическая сила — разрушительная по отношению к биосфере. В результате антропогенной деятельности степень замкнутости биогеохимических круговоротов уменьшается.

Антропогенный круговорот не ограничивается энергией солнечного света, улавливаемой зелеными растениями планеты. Человечество использует энергию топлива, гидрои атомных станций.

Можно утверждать, что антропогенная деятельность на современном этапе представляет собой огромную разрушительную для биосферы силу.

Биосфера обладает особенным свойством — значительной устойчивостью по отношению к загрязняющим веществам. Эта устойчивость основана на естественной способности различных компонентов природной среды к самоочищению и самовосстановлению. Но не безгранично. Возможный глобальный кризис вызвал необходимость построения математической модели биосферы как единого целого (система «Гея») с целью получения информации о возможном состоянии биосферы.

Ксенобиотик — чужеродное для живых организмов вещество, появляющееся в результате антропогенной деятельности (пестициды, препараты бытовой химии и другие загрязнители), способное вызывать нарушение биотических процессов, в т. ч. заболевание или гибель организма. Такие загрязнители не подвергаются биодеградации, а аккумулируются в трофических цепях.

Ртуть — весьма редкий элемент. Она рассеяна в земной коре и только в немногих минералах, таких как киноварь, содержится в концентрированном виде. Ртуть участвует в круговороте вещества в биосфере, мигрируя в газообразном состоянии и в водных растворах.

В атмосферу она поступает из гидросферы при испарении, при выделении из киновари, с вулканическими газами и газами из термальных источников. Часть газообразной ртути в атмосфере переходит в твердую фазу и удаляется из воздушной среды. Выпавшая ртуть поглощается почвами, особенно глинистыми, водой и горными породами. В горючих полезных ископаемых — нефти и каменном угле — ртути содержится до 1 мг/кг. В водной массе океанов примерно 1,6 млрд. т, в донных осадках — 500 млрд. т, в планктоне — 2 млн.т. Речными водами ежегодно с суши выносится около 40 тыс. т, что в 10 раз меньше, чем поступает в атмосферу при испарении (400 тыс. т). На поверхность суши ежегодно выпадает около 100 тыс.т.

Ртуть из естественного компонента природной среды превратилась в один из наиболее опасных для здоровья человека техногенных выбросов в биосферу. Она широко применяется в металлургии, в химической, электротехнической, электронной, целлюлозно-бумажной и фармацевтической промышленности и используется для производства взрывчатых веществ, лаков и красок, а также в медицине. Промышленные стоки и атмосферные выбросы, наряду с ртутными рудниками, заводами по производству ртути и теплоэнергетическими предприятиями (ТЭЦ и котельные), использующими уголь, нефть и нефтепродукты, являются основными источниками загрязнения биосферы этим токсичным компонентом. Кроме того, ртуть входит в состав ртутьорганических пестицидов, используемых в сельском хозяйстве для протравливания семян и защиты культур от вредителей. В организм человека попадает с продуктами питания (яйца, протравленное зерно, мясо животных и птиц, молоко, рыба).

Ртуть в воде и донных отложениях рек Установлено, что около 80% ртути, поступающей в природные водоемы, находится в растворенной форме, что в конечном итоге способствует ее распространению на большие расстояния вместе с потоками воды. Чистый элемент не токсичен.

Ртуть содержится в воде придонного ила чаще в относительно безвредных концентрациях. Неорганические соединения ртути превращаются в токсичные органические соединения ртути, такие как метилртуть CH? Hg и этилртуть C? H?Hg, благодаря бактериям, живущим в детритах и осадках, в донном иле озер и рек, в слизи, покрывающей тела рыб, а также в слизи рыбьего желудка. Эти соединения легко растворимы, подвижны и очень ядовиты. Химической основой агрессивного действия ртути является ее сродство с серой, в частности с сероводородной группой в белках. Эти молекулы связываются с хромосомами и клетками головного мозга. Рыбы и моллюски могут накапливать их до концентраций опасных для человека, употребляющего их в пищу, вызывая болезнь «Минамата» .

Металлическая ртуть и ее неорганические соединения действуют, в основном, на печень, почки и кишечный тракт, однако в обычных условиях сравнительно быстро выводятся из организма и опасное для организма человека количество не успевает накопиться. Метилртуть и другие алкильные соединения ртути являются гораздо более опасными, т. к. происходит кумуляция — токсин поступает в организм быстрее, чем выводится из организма, действуя на центральную нервную систему.

Донные отложения являются важной характеристикой водных экосистем. Аккумулируя тяжелые металлы, радионуклиды и высокотоксичные органические вещества, донные отложения, с одной стороны, способствуют самоочищению водных сред, а с другой — представляют собой постоянный источник вторичного загрязнения водоемов. Донные отложения — перспективный объект анализа, отражающий многолетнюю картину загрязнения (особенно в малопроточных водоемах). Причем накопление неорганической ртути в донных отложениях наблюдается особенно в устьях рек. Может возникнуть напряженная ситуация, когда адсорбционная способность отложений (ила, осадков) будет исчерпана. Когда будет достигнута адсорбционная емкость, тяжелые металлы, в т. ч. ртуть начнут поступать в воду.

Известно, что в морских анаэробных условиях в отложениях отмерших водорослей ртуть присоединяет водород и переходит в летучие соединения.

При участии микроорганизмов может метилироваться в две стадии металлическая ртуть:

? CH? Hg+? (CH?)?Hg.

Метилртуть в окружающей среде появляется практически только при метилировании неорганической ртути.

Биологический период полувыведения ртути велик, он составляет для большинства тканей организма человека 70−80 дней.

Известно, что в начале пищевой цепочки происходит загрязнение ртутью крупных рыб, например меч-рыбы, тунца. Не безинтересно при этом отметить, что в еще большей степени, чем в рыбах, ртуть накапливается (аккумулируется) в устрицах.

Ртуть попадает в организм человека при дыхании, с пищей и через кожу по следующей схеме:

Во-первых, происходит транформация ртути. Этот элемент встречается в природе в нескольких формах.

Металлическая ртуть, применяемая в термометрах, и ее неорганические соли (например, хлорид) выводятся из организма сравнительно быстро.

Гораздо более ядовиты алкильные соединения ртути, в частности метили этилртуть. Эти соединения очень медленно выводятся из организма — за сутки всего лишь около 1% общего количества. Хотя большая часть ртути, попадающей в природные воды, содержится там в виде неорганических соединений, в рыбе она всегда оказывается в форме гораздо ядовитой метилртути. Бактерии в донном иле озер и рек, в слизи, покрывающей тела рыб, а также в слизи рыбьего желудка способны превращать неорганические соединения ртути в метилртуть.

Во-вторых, избирательное накопление, или биологическое накопление (концентрирование), повышает содержание ртути в рыбе и моллюсках до уровней во много раз выше, чем в воде залива. Рыбы и моллюски, обитающие в реке, накапливают метилртуть до концентраций, опасных для человека, использующего их в пищу.

% мирового улова рыбы содержит ртуть в количестве не более 0,5 мг/кг, а 95% - ниже 0,3 мг/кг. Почти вся ртуть в рыбе находится в виде метилртути.

Учитывая разную токсичность ртутных соединений для человека в пищевых продуктах необходимо определять неорганическую (общую) и органически связанную ртуть. У нас определяется только общее содержание ртути. По медико-биологическим требованиям содержание ртути в пресноводной хищной рыбе допускается 0,6 мг/кг, в морской — 0,4 мг/кг, в пресноводной не хищной только 0,3 мг/кг, а в тунцовых до 0,7 мг/кг. В продуктах детского питания содержание ртути не должно превышать 0,02 мг/кг в мясных консервах, 0,15 мг/кг в рыбных консервах, в остальных — 0,01 мг/кг.

Свинец присутствует практически во всех компонентах природной среды. В земной коре его содержится 0,0016%. Естественный уровень свинца в атмосфере 0,0005 мг/м3. Большая часть его осаждается с пылью, примерно 40% выпадает с атмосферными осадками. Растения получают свинец из почвы, воды и атмосферных выпадений, а животные — потребляя растения и воду. В организм человека металл попадает вместе с пищей, водой и пылью.

Основным источником загрязнения биосферы свинцом являются бензиновые двигатели, выхлопные газы которых содержат триэтилсвинец, теплоэнергетические предприятия, сжигающие каменный уголь, горнодобывающая, металлургическая и химическая промышленность. Значительное количество свинца вносится в почву вместе со сточными водами, используемыми в качестве удобрения. Для тушения горящего реактора Чернобыльской АЭС также использовался свинец, который поступил в воздушный бассейн и рассеялся на обширных территориях. При увеличении загрязнения окружающей среды свинцом возрастает его отложение в костях, волосах, печени.

Хром. Наиболее опасен токсичный хром (6+), который мобилизуется в кислых и щелочных почвах, в пресных и морских водах. В морской воде хром на 10 — 20% представлен формой Cr (3+), на 25 — 40% - Cr (6+), на 45 — 65% - органической формой. В интервале рН 5 — 7 преобладает Cr (3+), а при рН > 7 — Cr (6+). Известно, что Cr (6+) и органические соединения хрома не соосаждаются с гидроксидом железа в морской воде.

Природные круговороты веществ являются практически замкнутыми. В естественных экосистемах вещество и энергия расходуются экономно и отходы одних организмов служат важным условием существования других. Антропогенный круговорот веществ сопровождается огромным расходом природных ресурсов и большим количеством отходов, вызывающих загрязнение окружающей среды. Создание даже самых совершенных очистных сооружений, не решает проблему, поэтому необходимо разрабатывать малои безотходные технологии, позволяющие сделать как можно более замкнутым антропогенный круговорот. Теоретически можно создать безотходную технологию, однако реальны малоотходные технологии.

Адаптация к природным явлениям Адаптации — различные приспособления к среде обитания, выработавшиеся у организмов (от наипростейших до высших) в процессе эволюции. Способность к адаптации — одно из основных свойств живых, обеспечивающих возможность своего существования.

К основным факторам, развивающим процесс адаптации относятся: наследственность, изменчивость, естественный (и искусственный) отбор.

Толерантность может измениться, если организм попадает в иные внешние условия. Попадая в такие условия, он через некоторое время как бы привыкает, адаптируется к ним (от лат. адаптацио — приспособлять). Следствием этого является изменение положений физиологического оптимума.

Свойство организмов адаптироваться к существованию в том или ином диапазоне экологического фактора называется экологической пластичностью.

Чем шире диапазон экологического фактора, в пределах которого данный организм может жить, тем больше его экологическая пластичность. По степени пластичности выделяют два типа организмов: стенобионтные (стеноэки) и эврибионтные (эвриэки). Таким образом, стенобионты экологически непластичны (например, камбала живет только в соленой воде, а карась только в пресной), т. е. маловыносливы, а эврибионты экологически пластичны, т. е. более выносливы (например, трехиглая колюшка может жить как в пресных, так и в соленых водах).

Адаптации многомерны, так как организм должен одновременно соответствовать многим различным факторам окружающей среды.

Существует три основных пути приспособления организмов к условиям окружающей среды: активный; пассивный; избегание неблагоприятных воздействий.

Активный путь адаптации — усиление сопротивляемости, развитие регуляторных процессов, позволяющих осуществлять все жизненные функции организма, несмотря на отклонения фактора от оптимума. Например, теплокровные животные поддерживают постоянную температуру тела — оптимальную для биохимических процессов, протекающих в нем.

Пассивный путь адаптации — подчинение жизненных функций организмов изменению факторов среды. Например, при неблагоприятных условиях среды многие организмы переходят в состояние анабиоза (скрытой жизни), при котором практически останавливается обмен веществ в организме (состояние зимнего покоя, оцепенение насекомых, спячка, сохранение спор в почве в виде спор и семян).

Избегание неблагоприятных воздействий — выработка приспособлений, поведения организмов (адаптации), которые помогают избежать неблагоприятные условия. При этом адаптации могут быть: морфологические (изменяется строение организма: видоизменение листьев у кактуса), физиологические (верблюд обеспечивает себя влагой за счет окисления запасов жира), этологические (изменения поведения: сезонные миграции птиц, спячка зимой).

Живые организмы хорошо адаптированы к периодическим факторам. Непериодические факторы могут вызвать болезни и даже смерть организма (например, лекарственные препараты, ядохимикаты). Однако при длительном их воздействии также может возникнуть адаптация к ним.

Организмы адаптировались к суточной, сезонной, приливно-отливной ритмикам, ритмам солнечной активности, лунным фазам и другим строго периодичным явлениям. Так, сезонную адаптацию различают как сезонность в природе и состояние зимнего покоя.

Сезонность в природе. Ведущим значением для растений и животных при приспособлении организмов является годовой ход температуры. Период, благоприятный для жизни, в среднем для нашей страны, продолжается около шести месяцев (весна, лето). Еще до прихода устойчивых морозов в природе наступает период зимнего покоя.

Состояние зимнего покоя. Зимний покой не просто остановка развития в результате низких температур, а сложное физиологическое приспособление, причем наступающего лишь на определенной стадии развития. Например, малярийный комар и бабочка-крапивница зимуют в стадии взрослого насекомого, бабочка-капустница — в стадии куколки, непарный шелкопряд — в стадии яйца.

Биоритмы. У каждого вида в процессе эволюции выработался характерный годичный цикл интенсивного роста и развития, размножения, подготовки к зиме и зимовки. Это явление получило название биологического ритма. Совпадение каждого периода жизненного цикла с соответствующим временем года имеет решающее значение для существования вида.

Главным фактором регуляции сезонных циклов у большинства растений и животных является изменение продолжительности дня.

Биоритмы бывают:

экзогенные (внешние) ритмы (возникают как реакция на периодические изменения среды (смену дня и ночи, сезонов, солнечной активности) эндогенные (внутренние ритмы) генерируются самим организмом В свою очередь эндогенные делятся на:

Физиологические ритмы (биение сердца, дыхание, работа желез внутренней секреции, синтез ДНК, РНК, белков, работа ферментов, деление клеток и др.).

Экологические ритмы (суточные, годичные, приливные, лунные и др.).

Ритмичность имеют процессы синтеза ДНК, РНК, белков, деление клеток, биение сердца, дыхание и т. д. Внешние воздействия могут сдвигать фазы этих ритмов и менять их амплитуду.

Физиологические ритмы варьируют в зависимости от состояния организма, экологические — более стабильны и соответствуют внешним ритмам. При эндогенных ритмах организм может ориентироваться во времени и заранее готовиться к предстоящим изменениям среды — это биологические часы организма. Многим живым организмам свойственны циркадные и цирканные ритмы.

Циркадные ритмы (околосуточные) — повторяющиеся интенсивности и характера биологических процессов и явлений с периодом от 20 до 28 часов. Циркадные ритмы связаны с активностью животных и растений в течение суток и, как правило, зависят от температуры и интенсивности света. Например, летучие мыши летают в сумерки и отдыхают днем, многие планктонные организмы ночью держатся у поверхности воды, а днем спускаются в глубину.

С влиянием света — фотопериодом — связаны сезонные биологические ритмы. Реакция организмов на продолжительность дня получила название фотопериодизма. Фотопериодизм — это общее важное приспособление, регулирующее сезонные явления у самых разных организмов. Изучение фотопериодизма растений и животных показало, что реакция организмов на свет основана на чередовании в течение суток периодов света и темноты определенной длительности. Реакция организмов (от одноклеточных до человека) на продолжительность дня и ночи показывает, что они способны измерять время, т. е. обладают какими-то биологическими часами. Биологические часы, кроме сезонных циклов, управляют многими другими биологическими явлениями, определяют правильный суточный ритм как активности целых организмов, так и процессов, происходящих даже на уровне клеток, в частности, клеточных делений.

Универсальным свойством всего живого, от вирусов и микроорганизмов до высших растений и животных, является способность давать мутации — внезапные, естественные и вызываемые искусственно, наследуемые изменения генетического материала, приводящие к изменению тех или иных признаков организма. Мутационная изменчивость не отвечает условиям окружающей среды и, как правило, нарушает существующие адаптации.

Впадают в диапаузу (продолжительная остановка в развитии) многие насекомые на определенной стадии развития, которую не надо путать с состоянием покоя в неблагоприятных условиях. На размножение многих морских животных влияют лунные ритмы.

Цирканные (окологодичные) ритмы — повторяющиеся изменения интенсивности и характера биологических процессов и явлений с периодом от 10 до 13 месяцев.

Физическое и психологическое состояние человека также имеет ритмический характер.

Нарушенный ритм труда и отдыха снижает работоспособность и оказывает неблагоприятное влияние на здоровье человека. Состояние человека в экстремальных условиях будет зависеть от степени подготовленности его к этим условиям, поскольку времени на адаптацию и восстановление практически нет.